重定位与链接脚本

Posted 2023-02-15 Lewin～

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了重定位与链接脚本相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一.位置无关码和位置有关码

位置无关码（pic）：由汇编源文件（start.S）编译生成的可执行程序（.elf或.bin文件），这个程序放在“内存任何地方”都能运行成功。
位置有关码（pdc）：由汇编源文件（start.S）编译生成的可执行程序（.elf或.bin文件），这个程序只能放在“指定的内存上”才能运行成功。

由此可以看出位置无关代码适应性更强，放在哪里都能运行，但位置无关码存在一些限制，不能完成所有功能，有时候不得不使用位置有关代码。

二.链接地址和运行地址

设计程序时，我们会给程序指定一个链接地址（我们认为程序将来在此运行，假如指定的是0x0这个地址），但实际上程序将来是否真的会放在0x0运行，与你指定的链接地址（0x0）没有关系，由实际运行时被加载到内存的哪个位置说了算，倘若这个程序必须放在0x0处才能运行成功，说明这个程序是位置有关代码，否则就是位置无关代码；由此可知，
位置有关代码的特点：链接地址＝运行地址，
位置无关代码的特点：链接地址不一定等于运行地址。
对于位置有关代码来说：最终执行时的运行地址和编译链接时给定的链接地址必须相同，否则一定出错。以S5PV210的裸机程序为例，在裸机程序中的Makefile用-Ttext 0x0指定了链接地址为0x0，意味着我们认为这个程序将来会放在0x0这个内存地址上去运行，但是实际上我们运行的地址是0xd002_0010（用DNW烧写时指定的烧写地址），这两块地址看似不同实则相同，原因是S5PV210内部做了映射，把SRAM（从0xd002_0000开始）映射到0x0去，因此这个程序无论是烧写到0xd002_0010还是0x0000_0010都能正常执行，都会烧写到SRAM（USB启动跳过前16KB校验头），相当于一个房间有两个门，理论上这里-Ttext应该指定为0x0000_0010或0xd002_0010，但实际上指定任意一个地址都行，这个程序仍然能运行，原因是因为使用了位置无关码。

这里提到了链接地址和运行地址：
链接地址：链接时指定的地址（指定方式为：Makefile中用-Ttext，或者链接脚本，因此由程序员决定）
运行地址：程序实际运行时地址（指定方式为：由实际运行时被加载到内存的哪个位置说了算，因此由程序运行时决定）

三.分析S5PV210的启动过程

S5PV210的启动过程：三星推荐和uboot的实现是不同的
三星推荐的启动方式中：bootloader必须小于96KB并大于16KB，假定bootloader为80KB，启动过程是这样子：先开机上电后BL0运行，BL0做一系列初始化（关看门狗、开icache等），然后根据外部OMpin引脚判断启动方式，然后根据启动方式初始化对应的启动设备（比如Nandflash或iNand等等），然后再加载外部启动设备中的bootloader的前16KB（BL1）到SRAM中去运行，BL1运行时会加载BL2（bootloader中80-16=64KB）到SRAM中（从SRAM的16KB处开始）去运行；BL2运行时会初始化DDR并且将OS搬运到DDR去执行OS，启动完成。
uboot实际使用的方式：uboot大小随意，假定为200KB。启动过程是这样子：先开机上电后BL0运行，中间过程同上在此省略，然后BL0会加载外部启动设备中的uboot的前16KB（BL1）到SRAM中去运行，BL1运行时会初始化DDR，然后将整个uboot搬运到DDR中，然后用一句长跳转（从SRAM跳转到DDR）指令从SRAM中直接跳转到DDR中继续执行uboot直到uboot完全启动。uboot启动后在uboot命令行中去启动OS。

现在知道为什么要使用重定位了吧？？？
uboot大小为100~200KB，远大于96KB，96KB的SRAM完全不够放，所以不得不把uboot放在其它地方（DDR）运行，在SRAM把uboot从INand搬到DDR，需要一段位置无关码完成搬运，搬运完成后，又需要一条长跳转指令（位置有关码）跳到DDR中继续执行uboot。

四.编译流程：预处理、编译、汇编、链接、strip 、objcopy

预处理：（gcc编译器默认替我们执行）

预处理器执行。
头文件插入、宏定义展开、条件编译选择使用的代码、注释删除等均在此步。
hello.c文件-》hello.i文件
gcc -E：只预处理

编译：

编译器来执行。
把.i文件翻译成.S汇编代码。
hello.i文件-》hello.S文件
gcc -S：只编译

汇编：

汇编器来执行。
把汇编代码翻译成符合ELF格式的机器码。
hello.S文件-》hello.o文件（即OBJ文件）
gcc -c:编译和汇编

链接：

链接器来执行。
把上步生成的OBJ文件和系统库的OBJ文件、库文件中的各函数（段）按照一定规则（链接脚本来指定）连接起来生成可执行文件。
%.o文件-》hello.elf
gcc -o：只链接、给可执行程序命名

strip：

strip是把可执行程序中的符号信息给拿掉，以节省空间。（Debug版本和Release版本）

objcopy：

去除一些杂冗的信息，包括符号信息，注释信息
把ELF格式的可执行文件生成bin格式的可执行文件（可烧录的镜像）。
hello.elf-》hello.bin

具体strip和objcopy的区别可参考博文：https://blog.csdn.net/weixin_30827565/article/details/97330409

五.程序段的概念：代码段、数据段、bss段（ZI段）、自定义段

段就是程序的一部分，程序被细分成各种段，每个段的名字不同，然后在链接时就可以用这些名字来指示这些段，通过段名便于我们在链接脚本中给各个段安排合适的位置。

段名分为2种：一种是编译器链接器内部定好的，先天性的名字；一种是程序员自己指定的、自定义的段名。
先天性段名：
代码段：（.text），又叫文本段，代码段其实就是函数编译后生成的东西
数据段：（.data），数据段就是C语言中有显式初始化为非0的全局变量
bss段：（.bss），又叫ZI（zero initial）段，就是零初始化段，对应C语言中初始化为0的或未被初始化的全局变量。
后天性段名：
自定义段，段名、段的属性和特征都由程序员自己定义。

分析一些问题，跟这里结合，然后试图明白一些本质：
1、C语言中全局变量如果未显式初始化，值是0。本质就是C语言把这类全局变量放在了.bss段，而.bss段会在main执行之前清空，从而保证了为0。
2、C运行时环境如何保证显式初始化为非0的全局变量在main之前就被赋值了？就是因为它把这类变量放在了.data段中，而.data段会在main执行之前被处理（初始化）。

六.链接脚本究竟要做什么？

链接脚本其实是个规则文件，程序员通过链接脚本指挥链接器工作。链接器会参考链接脚本，按照程序员指定的规则以一定顺序处理.o文件中那些段，将其链接成一个可执行程序。
链接脚本的关键内容有2部分：段名 + 地址（作为链接地址的内存地址）
链接脚本的理解：
SECTIONS 这个是整个链接脚本
. 点号在链接脚本中代表当前位置。
= 等号代表赋值

七.代码重定位实战

任务：在SRAM中将代码从0xd0020010重定位到0xd0024000
执行步骤：
第一步：Makefile中用-T链接脚本名指定要使用的链接脚本，这里使用-Tlink.lds

led.bin: start.o led.o
	arm-linux-ld -Tlink.lds -o led.elf $^
	arm-linux-objcopy -O binary led.elf led.bin
	arm-linux-objdump -D led.elf > led_elf.dis
	gcc mkv210_image.c -o mkx210
	./mkx210 led.bin 210.bin
	
%.o : %.S
	arm-linux-gcc -o $@ $< -c -nostdlib

%.o : %.c
	arm-linux-gcc -o $@ $< -c -nostdlib

clean:
	rm *.o *.elf *.bin *.dis mkx210 -f

第二步：创建一个名为link.lds的链接脚本，编写链接脚本，在链接脚本中设置链接地址为0xd0024000

SECTIONS

	. = 0xd0024000;
	
	.text : 
		start.o
		* (.text)
	
	
	.data : 
		* (.data)
	
	
	bss_start = .;
	.bss : 
		* (.bss)
	
	
	bss_end = .;

第三步：DNW下载程序到0xd0020010

第四步：程序运行时通过前面一小段位置无关码PIC将整个程序复制一份到0xd0024000，实现重定位功能（重定位一个程序，一个程序包含text、data、bss段，由于bss段的内容都是0，我们只需重定位text、data段，然后在后面将bss段清空即可）

copy_text_data:	
	adr r0, _start					
	ldr r1, =_start
	/*
	 *	adr和ldr的区别是：adr加载的是运行时地址，而ldr加载的是链接地址
	 *	此处r0 = 0xd0020010，r1 = 0xd0024000
	 *  原因是adr和ldr虽然都是用于加载的伪指令，但是他们最终替换生成的汇编代码大有不同
	 *	通过反汇编查看：
	 *	adr r0, _start  替换成 d002401c:	e24f0024 	sub	r0, pc, #36	; 0x24			
	 * 	ldr r1, =_start 替换成 d0024020:	e59f1048 	ldr	r1, [pc, #72]	; d0024070	
	 *	前者是直接寻址，后者是寄存器间接寻址，两者寻址方式不同，
	 *  1.	adr转化成的汇编指令sub受当前pc的值的影响，
	 *	当前pc = d002401c + 8 = d0024024，因此这条指令执行后，r0 = d0024024 - 36 = d0024000，
	 *	但实际上当前pc不可能是d002401c，因为我们把程序下载到0xd0020010而非0xd0024000，
	 *	故执行到这条指令时，当前pc = d0020010 +	d002401c - d0024000 + 8 = d0020034,
	 *	执行完这条指令后，r0 = d0020034 - 36 = d0020034 - 0x24 = d0020010，这才是r0的真值；
	 *	
	 *	2.	ldr伪指令转化成ldr指令，因为是寄存器寻址，所以不受当前pc的影响
	 *	当前pc = d0024020 + 8 = d0024028，因此这条指令执行后，r1 = [d0024028 + 72] = [d0024070],
	 *	r1等于以d00024070为地址的内容，通过反汇编查看d00024070处的内容是：d0024000，因此r1 = d0024000，
	 *	同理，当前pc不可能是d0024028，因为我们把程序下载带0xd0020010而非0xd0024000，
	 *	故执行到这条指令时，当前pc = d0020010 +	d0024020 - d0024000 + 8 = d0020038,
	 *	执行完这条指令后，r1 = [d0020038 +72] = [d0020080]，而程序下载到d0020080这个地址内容也还是d0024000，
	 *	链接地址为0xd0024000的地方下载到0xd0020010处，那么链接地址为0xd0024070的地方就被下载到0xd0020080处，
	 *	因此这说明r1并不受当前值pc的影响。
	 */
	 ldr r2, =bss_start					//bss_start作为重定位结束的标志，重定位只需重定位text和data段
	 cmp r0, r1							//比较r0和r1是否相等
	 beq run_led						/*相等说明链接地址 = 运行时地址，
										 *则无需重定位和清空bss，编译器早已帮我们清空bss了
										 */
										 
copy_loop:
	ldr	r3, [r0], #4					//源地址
	str r3, [r1], #4					//目的地址	这两句等价于c语言中	int r0,r1; *r1++ = *r0++;
	cmp r1,r2							//判断重定位是否完成
	bne copy_loop						//否则继续循环
	
	/*	第五步：清bss段	*/
clean_bss:
	ldr r0, =bss_start					//bss段起始地址
	ldr r1, =bss_end					//bss段结束地址
	cmp r0, r1							//判断是否没有bss段
	beq run_led							//是则直接执行第六步
	mov r2, #0							//否则就要清空bss段

clear_loop:
	str r2, [r0], #4					//以4字节的方式清空bss段，此句等于c语言中 int r0; *r0++ = 0;
	cmp r0, r1							//判断bss段是否清空
	bne clear_loop						//否则继续循环

第五步：使用一条长跳转指令跳转到0xd0024000继续执行，重定位结束（涉及绝对跳转和相对跳转，参考博文：https://blog.csdn.net/xshenpan/article/details/49337845?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522165442692516781685380352%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334…%2522%257D&request_id=165442692516781685380352&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2_allbaidu_landing_v2~default-2-49337845-null-null.142^v11pc_search_result_control_group,157^v13control&utm_term=bl%E5%92%8Cldr&spm=1018.2226.3001.4187）

run_led:
	ldr pc, =led_blink					//绝对跳转，是位置有关码
    //bl led_blink						//相对跳转，是位置无关码，与pc的值有关

整个代码示例：

#define WTCON   0xE2700000
#define SVN_STACK 0xD0037D80

.global _start
_start:
	/*	第一步：关看门狗	*/
	ldr r0, =0
	ldr r1, =WTCON
	str r0, [r1]
	/*	第二步：设置SVN栈	*/
	ldr sp, =SVN_STACK
	/*	第三步：开/关icache	*/
	mrc p15,0,r0,c1,c0,0;			// 读出cp15的c1到r0中
	bic r0, r0, #(1<<12)			// bit12 置0  关icache
	//orr r0, r0, #(1<<12)			// bit12 置1  开icache
	mcr p15,0,r0,c1,c0,0;

	/*	第四步：重定位	*/
copy_text_data:	
	adr r0, _start					
	ldr r1, =_start
	/*
	 *	此处r0 = 0xd0020010，r1 = 0xd0024000
	 *  原因是adr和ldr虽然都是用于加载的伪指令，但是他们最终替换生成的汇编代码大有不同
	 *	通过反汇编查看：
	 *	adr r0, _start  替换成 d002401c:	e24f0024 	sub	r0, pc, #36	; 0x24			
	 * 	ldr r1, =_start 替换成 d0024020:	e59f1048 	ldr	r1, [pc, #72]	; d0024070	
	 *	前者是直接寻址，后者是寄存器间接寻址，两者寻址方式不同，
	 *  1.	adr转化成的汇编指令sub受当前pc的值的影响，
	 *	当前pc = d002401c + 8 = d0024024，因此这条指令执行后，r0 = d0024024 - 36 = d0024000，
	 *	但实际上当前pc不可能是d002401c，因为我们把程序下载到0xd0020010而非0xd0024000，
	 *	故执行到这条指令时，当前pc = d0020010 +	d002401c - d0024000 + 8 = d0020034,
	 *	执行完这条指令后，r0 = d0020034 - 36 = d0020034 - 0x24 = d0020010，这才是r0的真值；
	 *	
	 *	2.	ldr伪指令转化成ldr指令，因为是寄存器寻址，所以不受当前pc的影响
	 *	当前pc = d0024020 + 8 = d0024028，因此这条指令执行后，r1 = [d0024028 + 72] = [d0024070],
	 *	r1等于以d00024070为地址的内容，通过反汇编查看d00024070处的内容是：d0024000，因此r1 = d0024000，
	 *	同理，当前pc不可能是d0024028，因为我们把程序下载带0xd0020010而非0xd0024000，
	 *	故执行到这条指令时，当前pc = d0020010 +	d0024020 - d0024000 + 8 = d0020038,
	 *	执行完这条指令后，r1 = [d0020038 +72] = [d0020080]，而程序下载到d0020080这个地址内容也还是d0024000，
	 *	链接地址为0xd0024000的地方下载到0xd0020010处，那么链接地址为0xd0024070的地方就被下载到0xd0020080处，
	 *	因此这说明r1并不受当前值pc的影响。
	 */
	 ldr r2, =bss_start					//bss_start作为重定位结束的标志，重定位只需重定位text和data段
	 cmp r0, r1							//比较r0和r1是否相等
	 beq run_led						/*相等说明链接地址 = 运行时地址，
										 *则无需重定位和清空bss，编译器早已帮我们清空bss了
										 */
										 
copy_loop:
	ldr	r3, [r0], #4					//源地址
	str r3, [r1], #4					//目的地址	这两句等价于c语言中	int r0,r1; *r1++ = *r0++;
	cmp r1,r2							//判断重定位是否完成
	bne copy_loop						//否则继续循环
	
	/*	第五步：清bss段	*/
clean_bss:
	ldr r0, =bss_start					//bss段起始地址
	ldr r1, =bss_end					//bss段结束地址
	cmp r0, r1							//判断是否没有bss段
	beq run_led							//是则直接执行第六步
	mov r2, #0							//否则就要清空bss段

clear_loop:
	str r2, [r0], #4					//以4字节的方式清空bss段，此句等于c语言中 int r0; *r0++ = 0;
	cmp r0, r1							//判断bss段是否清空
	bne clear_loop						//否则继续循环
	
	/*	第六步：流水灯	*/
run_led:
	ldr pc, =led_blink					//绝对跳转，是位置有关码
    //bl led_blink						//相对跳转，是位置无关码，与当前pc的值有关
	
	/*	死循环	*/
	b .

以上是关于重定位与链接脚本的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章