ARM架构-段与重定位
2024年9月 · 预计阅读时间： 9 分钟
1.段和重定位#
led.imx = 头部 + led.bin 或 led.stm32 = 头部 + led.bin
- 头部里含有位置信息(addr)：固件要把 led.bin 复制到哪里去
- 链接程序时，指定了链接地址，一般来说头部信息的 addr 就等于链接地址
- 如果，偏要修改头部信息的 addr，让它不等于链接地址，会发生什么是？
- 头部里含有长度信息(len)：led.bin 多大
SOC 上电运行时，会执行片上 ROM（bootrom）的程序，会根据头部信息把.bin 读到内存（RAM）上的 addr 地址。
这并不是理所当然的，例如在 F103 里，就没有这个过程，需要在代码里把程序读到内存。
1.1 有哪些段#
- 代码段(RO-CODE)：就是程序本身，不会被修改
- 可读可写的数据段(RW-DATA)：有初始值的全局变量、静态变量，需要从 ROM 上复制到内存
- 只读的数据段(RO-DATA)：可以放在 ROM 上，不需要复制到内存
- BSS 段或 ZI 段：
- 初始值为 0 的全局变量或静态变量，没必要放在 ROM 上，使用之前清零就可以
- 未初始化的全局变量或静态变量，没必要放在 ROM 上，使用之前清零就可以
- 局部变量：保存在栈中，运行时生成
- 堆：一块空闲空间，使用 malloc 函数来管理它，malloc 函数可以自己写
.text - 代码段：函数代码
.data - 可读可写数据段：已初始化的全局变量（包括全局静态变量）和局部静态变量，static
.rodata - 只读数据段：全局常量（const）、字符串常量
.bss - 未初始化的全局变量（包括全局静态变量）和局部静态变量，static
1.2 重定位的相关概念#
1）链接地址和运行（加载）地址。#
- 运行地址，顾名思义就是程序运行的时候的地址，也就是你用工具将代码下载到 RAM 的那个地址，也叫加载地址。
- 链接地址，由链接脚本指定的地址。为什么需要链接脚本指定地址呢？你想一下，在 c 语言编程中，当我们需要调用一个 A 函数的时候，编译器是怎么找到这个 A 函数？编译器肯定是知道它被放在哪里才可以找到它。那就是链接脚本的作用，链接脚本其实在程序被执行之前都已经指定 A 函数一个地址编号，以后所有的函数调用我们都会去这个地址编号那里寻找 A 函数。有点类似于 c 语言的指针变量。
2）链接地址跟运行（加载）地址不同的情况下会出现什么情况？#
答：以上面举的函数 A 为例，当链接地址跟运行地址不同的时候，假如链接地址是 0x1000，运行地址（加载地址）是 0x0000，
链接脚本指定函数 A 将来是要存放到（基地址+偏移量）=0x1000+0x0001=0x1001 地址的，但是程序在下载的时候却把这个程序下载到 0x0000，所以函数 A 的地址实际上是存放在（基地址+偏移量）=0x0000+0x0001=0x0001 这个地址的。
当程序运行到一行位置有关码例如：ldr PC, A ，编译器首先就会按照链接脚本指定的 A 的那个地址 0x1001 寻找 A 函数，但是因为加载地址跟链接地址不同的原因，实际上 A 函数已经被放到了 0x0001，所以执行就会出错。
所以，当这两个地址不同的时候，执行一段位置有关码的时候就会发生不可预估的错误。
3）位置有关码与位置无关码。#
- 位置有关码，就是这句代码的执行正确与否还需要取决于当前的地址，也就是说跟地址已经绑定了的，例如：ldr PC, _main，就是 PC 指针必须跳转到_main（函数名就是一个地址）这个地址去，代码执行成功与否就相当于受到了这个地址的约束，假如这个地址的内容不存放_main 这个函数，就会出错了。
- 位置无关码，就是这句代码在哪里运行都可以的，跟所处的地址无关，跟位置有关码相反。
4）为什么会出现链接地址跟运行（加载）地址不同的情况？#
答：当一块芯片启动的时候，依靠内部的 SRAM，可以运行一小段代码，而因为 DDR 还没初始化，注定了开始的运行地址是在内部 SRAM 中的。当我们需要运行一个操作系统，那么点的内存怎么够运行呢？所以这时候就需要初始化 DDR 才可，而因为我们知道这代码将来都是在 DDR 上面运行的，所以链接脚本指定的链接地址肯定是 DDR 上面的地址，所以这就出现了链接地址跟运行地址不同的情况了。
5）为什么需要重定位？#
答：就是链接地址跟运行（加载）地址不同，在这个情况下我们可以有两种方案： ① 全部使用位置无关码。 ② 进行重定位让这两个地址相同。 我们知道，如果是一个小代码，使用 ① 时可以的，但是一个大的代码文件很难保证全部都使用位置无关码的，这也是不现实的，所以必须使用重定位解决这个问题。
2.重定位要做什么#
2.1 程序中含有什么？#
- 代码段：如果它不在链接地址上，就需要重定位
- 只读数据段：如果它不在链接地址上，就需要重定位
- 可读可写的数据段：如果它不在链接地址上，就需要重定位
- BSS 段：不需要重定位，因为程序里根本不保存 BSS 段，使用前把 BSS 段对应的空间清零即可
2.2 谁来做重定位#
程序本身：它把自己复制到链接地址去
一开始，程序可能并不位于它的链接地址上，为什么它可以执行重定位的操作？
- 因为重定位的代码是使用“位置无关码”写的
怎么写出位置无关码：
- 跳转：使用相对跳转指令，不能使用绝对跳转指令
- 只能使用 branch 指令(比如
bl main)，不能给 PC 直接复制，比如ldr pc, =main
- 只能使用 branch 指令(比如
- 不要访问全局变量、静态变量
- 不使用字符串
2.3 怎么做重定位和清除 BSS 段#
把程序从加载地址复制到链接地址去。
- 复制的三要素：源、目的、长度
- 怎么知道代码段/数据段保存在哪？(加载地址)
- 怎么知道代码段/数据段要被复制到哪？(链接地址)
- 怎么知道代码段/数据段的长度？
- 怎么知道 BSS 段的地址范围：起始地址、长度？
- 这一切
- 在 keil 中使用散列文件(Scatter File)来描述
- 在 GCC 中使用链接脚本(Link Script)来描述
2.4 加载地址和链接地址的区别#
程序运行时，应该位于它的链接地址处，因为：
- 使用函数地址时用的是"函数的链接地址"，所以代码段应该位于链接地址处
- 去访问全局变量、静态变量时，用的是"变量的链接地址"，所以数据段应该位于链接地址处
但是： 程序一开始时可能并没有位于它的"链接地址"：
- 比如对于 STM32F103，程序被烧录器烧写在 Flash 上，这个地址称为"加载地址"
- 比如对于 IMX6ULL/STM32MP157，片内 ROM 根据头部信息把程序读入内存，这个地址称为“加载地址”
当加载地址 ！= 链接地址时，就需要重定位。
3.链接脚本的使用与分析#
3.1 重定位的实质#
实质就是移动数据，也就是复制。
数据复制的三要素是源、目的、长度。
这 3 要素怎么得到？ 在 GCC 中，使用链接脚本来描述。 在 keil 中，跟链接脚本对应的是散列文件，散列的意思就是"分散排列"，在 STM32F103 这类资源紧缺的单片机芯片中：
- 代码段保存在 Flash 上，直接在 Flash 上运行(当然也可以重定位到内存里)
- 数据段保存在 Flash 上，使用前被复制到内存里
但是，在资源丰富的MPU板子上：
- 内存很大，几十 M、几百 M，甚至几 G
- 可能没有 XIP 设备(XIP: eXecute In Place，原地执行)
- 没有类似 STM32F103 上的 Flash，代码无法在存储芯片上直接运行
基于这些特点，在 MPU 板子上
- 代码段、数据段、BSS 段等等，运行时没有必要分开存放
- 重定位时，把整个程序(包括代码段、数据段等)，一起复制到它的链接地址去
3.2 链接脚本示例#
3.3 链接脚本语法#
一个链接脚本由一个 SECTIONS 组成。 一个 SECTIONS 里面，含有一个或多个 section。
section 是链接脚本的核心，它的语法如下：
实际上不需要那么复制，不需要把语法里各项都写完。
- 示例 1
- 示例 2 还可以按文件指定
- 示例 3
4.数据段重定位#
4.1 怎么确定源？#
可以用 ADR 伪指令获得当前代码的地址，对于这样的代码：
adr 是伪指令，它最终要转换为真实的指令。它怎么获得_start代码的当前所处地址呢？
实际上，adr r0, _start指令的本质是r0 = pc - offset，offset 是在链接时就确定了。
4.2 怎么确定目的地址？#
也就是怎么确定链接地址？可以用 LDR 伪指令。 对于这样的代码：
ldr 是伪指令，它最终要转换为真实的指令。它怎么获得_start的链接地址呢？
_start 的链接地址在链接时，由链接脚本确定。
4.3 如何获得更详细的信息#
在链接脚本里可以定义各类符号，在代码里读取这些符号的值。
比如对于下面的链接脚本，可以使用__bss_start、__bss_end得到 BSS 段的起始、结束地址：
上述代码里，有一个"."，它被称为"Location Counter"，表示当前地址：可读可写。 它表示的是链接地址。
注意："Location Counter"只能增大，不能较小。
4.4 编写#
以数据段为例，写一个重定位代码。
先在链接脚本里，记录一下 rodata 的起始地址，拿__bss_start - __rodata_start就是数据段的大小。
源和目的可以通过以下方法获得：
代码：
然后需要实现一下 memcpy
5.清除 BSS 段#
BSS 段不需要复制过去，只需要将对应的地址空间清 0 即可。
具体而言：程序里的全局变量，如果它的初始值为 0，或者没有设置初始值，这些变量被放在 BSS 段里。
BSS 段并不会放入 bin 文件中，否则也太浪费空间了。 在使用 BSS 段里的变量之前，把 BSS 段所占据的内存清零就可以了。
5.1 BSS 段在哪？多大？#
在链接脚本中，BSS 段如下描述：
BSS 段的起始地址、结束地址，使用__bss_start和__bss_end来获得，它们是链接地址。
5.2 怎么清除 BSS 段#
实现 memset
6.代码段重定位#
6.1 代码段不重定位的后果#
谁执行了数据段的重定位？ 谁清除了 BSS 段？ 都是程序自己做的，也就是代码段那些指令实现的。 代码段并没有位于它的链接地址上，并没有重定位，为什么它也可以执行？
因为重定位之前的代码是使用位置无关码写的，后面再说。
如果代码段没有重定位，则不能使用链接地址来调用函数：
汇编中
C 语言中
6.2 代码段在哪？多大？#
这要看链接脚本，对于 MPU 的程序，代码段、数据段一般是紧挨着排列的。 所以重定位时，干脆把代码段、数据段一起重定位。
- 链接脚本
对于这样的代码：
确定目的
确定源
确定长度
6.3 编写#
为什么这里之前没有重定位，代码可以正常运行？#
因为重定位之前的代码是使用位置无关码写的：
只使用相对跳转指令：b、bl
不只用绝对跳转指令：
不访问全局变量、静态变量、字符串、数组
重定位完后，使用绝对跳转指令跳转到 XXX 函数的链接地址去
7.重定位的 C 函数实现#
7.1 怎么得到链接脚本里的值#
对于这样的链接脚本，怎么得到其中的__bss_start和 __bss_end:
1）汇编代码#
2）C 语言#
- 方法 1 声明为外部变量，使用时需要使用取址符：
方法 2 声明为外部数组，使用时不需要使用取址符：
7.2 怎么理解上述代码#
对于这样的 C 变量：
编译的时候会有一个符号表(symbol table)，如下：
| Name | Address |
|---|---|
| g_a | xxxxxxxx |
对于链接脚本中的各类 Symbol，有 2 中声明方式：
不管是哪种方式，它们都会保存在符号表里，比如：
| Name | Address |
|---|---|
| g_a | xxxxxxxx |
| __bss_start | yyyyyyyy |
- 对于
int g_a变量- 使用
&g_a得到符号表里的地址。
- 使用
- 对于
extern unsigned int __bss_start变量- 要得到符号表中的地址，也是使用
&__bss_start。
- 要得到符号表中的地址，也是使用
- 对于
extern char __bss_start[]变量- 要得到符号表中的地址，直接使用
__bss_start[]，不需要加& - 为什么？
__bss_start数组名本身就表示地址
- 要得到符号表中的地址，直接使用
7.3 编写程序#
start.S
Init.c