s3c2440代码重定位

版权声明：本文为博主原创文章，未经博主允许不得转载。 https://blog.csdn.net/Utotao/article/details/87904948

参考文章：
[1].第013课 S3c2440代码重定位详解
[2].s3c2440学习之路-011代码重定位
[3].arm汇编指令集整理
[4].汇编运行地址，链接地址，加载地址，存储地址 位置无关码、位置有关码

感想：这个部分好多好好看，多看几遍，融汇贯通，彻底理解

1、几个概念

（1）运行地址、加载地址
① 运行地址<—>链接地址：他们两个是等价的，只是两种不同的说法。
运行地址：程序在SRAM、SDRAM中执行时的地址。就是执行这条指令时，PC应该等于这个地址，换句话说，PC等于这个地址时，这条指令应该保存在这个地址内。
② 加载地址<—>存储地址：他们两个是等价的，也是两种不同的说法。
加载地址：程序保存在Nand flash中的地址。

（2） 位置无关码、位置有关码
① 位置无关码：B、BL、MOV都是位置位置无关码。
② 位置有关码：LDR PC,=LABEL等类似的代码都是位置有关码。

（3）程序段的划分
一个程序编译后，会有代码段、数据段、只读数据段、bss段和注释段

• .text 代码段
• .data 数据段
• rodata 只读数据段(const全局变量)
  -bss段 (初始值为0，无初始值的全局变量和静态局部变量)
• commen 注释

---

Question：bss段为什么可以减小bin文件的大小？
答：bbs主要记录未初始化和初始化为0的全局（static 修饰的局部）变量的位置，而不会记录其具体数据，因为这部分的数值会默认设置为0。

---

2、s3c2440启动方式

s3c2440启动方式分为nor启动 和 nand启动

• nor启动时：0地址即为nor的0地址，片内sram的0地址为0x4000,0000，sdram0地址为0x3000,0000
• nand启动时：0地址为片内sram，sdram0地址为0x3000,0000,nand启动时会把其中前4k的代码（这部分放引导代码）拷贝到片内sram上（sram只有4k），这个过程由nand flash控制器完成

3、什么是代码重定位

概括来说，所谓的代码重定位指的是将原先烧写在Nor Flash或者Nand Flash上的代码拷贝到SDRAM上运行，避免由于Nor Flash只能读不能写造成的全局变量的写入限制，避免Nand Flash启动时候，Sram空间有限（4K）而程序较大导致的访问出错。

4、为什么需要代码重定位

S3C2440的CPU可以直接给SDRAM发送命令、给Nor Flash发送命令、给4K的片上SDRAM发送命令，但是不能直接给Nand Flsh发送命令

假如把程序烧写到Nand Flsh上，即向Nand Flsh烧入* bin* 文件，CPU是无法从Nand Flsh中取代码执行的。

为什还可以使用NAND启动？

• 上电后，Nand启动硬件会自动把Nand Flsh前4K复制到SRAM；
  CPU从0地址运行SRAM；
• 如果我的程序大于4K怎么办？
  前4K的代码需要把整个程序读出来放到SDRAM(即代码重定位)。

如果从Nor Flash启动，会出现什么问题？

将拨动开关拨到Nor Flash启动时，此时CPU认为的 0地址 在Nor Flash上面，片内内存SRAM的基地址就变成了0x40000000(Nand启动时片内内存SRAM的基地址基地址是0)，
由于Nor Flash特性：可以像内存一样读，但不能像内存直接写，因此需要把全局变量和静态变量重定位放到SDRAM里。

---

总结：

• 当使用nand启动时，因为2440的特性，只能运行前4K的代码（前4K会自动拷贝到内部的sram里），因此想运行1个100K+ 的uboot.bin是不可以能的，所以需要把代码重定位到外部的SDRAM里。
• 当使用nor启动时，jz2440开发板上nor为2MB，足够放一般的程序。但是nor 可以随意读无法随意写，这意味着全局变量是不可修改的。因为修改全局变量需要把数值重新写到nor 里面，而nor 是不可随意写的，所以写数值会失败。因此也需要把代码重定位到外部的SDRAM里。（局部变量是可以修改的，因为局部变量是放在栈里面，栈一般会设置在2440内部的sram）

---

5、如何实现重定位

代码重定位依赖分布式链接脚步实现，具体来说，可分为两种链接方式，分别是：分体式链接脚 和 一体式链接脚本

通常我们在这里使用一体式链接脚本，因为：

---

1. 分体式链接脚本适合单片机，单片机自带有flash，不需要再将代码复制到内存占用空间。而我们的嵌入式系统内存非常大，没必要节省这点空间，并且有些嵌入式系统没有Nor Flash等可以直接运行代码的Flash，就需要从Nand Flash或者SD卡复制整个代码到内存；
2. JTAG等调试器一般只支持一体式链接脚本；

---

代码重定位可分为两步：

1. 把程序的“代码段（.text）”、“数据段（.data）”、只读数据段（.rodata）全部拷贝到SDRAM上（起始地址为0x3000,0000）
2. 将PC指针设置到SDRAM上

---

6、一体式链接脚本

关于分布式链接脚本可以参见韦老师的博客：第013课 S3c2440代码重定位详解

链接脚本的语法：

SECTIONS {
...
secname start BLOCK(align) (NOLOAD) : AT ( ldadr )
  { contents } >region :phdr =fill
...
}

解释：

 secname  ：段名
 start  ：起始地址：运行时的地址(runtime addr)；重定位地址(relocate addr)
 AT ( ldadr ) ：可有可无(load addr:加载地址) 不写时LoadAddr = runtime addr
 { contents } 的内容： 
 start.o //内容为start.o文件
 *（.text）所有的代码段文件
 start.o *(.text)文件

本案例中的链接脚本为，保存为xxx.lds：
注意：.text等section和“：”之间要留有一个空格，否make时候会出现错误。

SECTIONS
{
	. = 0x30000000;

	_code_start = .;

	. = ALIGN(4);
	.text :
	{
	  *(.text)
	}

	. = ALIGN(4);
	.rodata : { *(.rodata) }

	. = ALIGN(4);
	.data : { *(.data) }

	. = ALIGN(4);
	_bss_start = .;
	.bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
	_end = .;
}

关于Makefile，只需要将原先链接的那句话修改为：

arm-linux-ld -T xxx.lds start.o main.o init.o uart.o led.o -o uart.elf

start.s:

.text
.code 32
.global _start

_start:
	bl initconfig

initconfig:
	//关闭看门狗
	ldr r0, =0x53000000
	ldr r1, =0
	str r1, [r0]
	//初始化时钟
	ldr r0, =0x4C000000
	ldr r1, =0xFFFFFFFF
	str r1, [r0]

	ldr r0, =0x4C000014
	ldr r1, =0x5
	str r1, [r0]

	mrc p15,0,r0,c1,c0,0
	orr r0,r0,#0xc0000000  
	mcr p15,0,r0,c1,c0,0

	ldr r0, =0x4C000004
	ldr r1, =(92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
	str r1, [r0]
	
	//设置启动方式
	mov r1, #0
	ldr r0, [r1] 
	str r1, [r1] 
	ldr r2, [r1] 
	cmp r1, r2   
	ldr sp, =0x40000000+4096
	moveq sp, #4096  
	streq r0, [r1]   
	//初始化SDRAM
	bl sdram_init
	//代码重定位
	bl copy2sram
	//清除bss段
	bl cleanbss

copy2sram:
	mov r0,#0
	ldr r1,= _code_start
	ldr r2,= _bss_start
copy:
	ldr r3,[r0]
	str r3,[r1]
	add r1,r1,#4
	add r0,r0,#4
	cmp r1,r2
	ble copy

cleanbss:
	mov r0,#0
	ldr r1,= _bss_start
	ldr r2,= _end
clean:	
	str r0,[r1]
	add r1,r1,#4
	cmp r1,r2
	ble clean
	
	ldr pc, =main  

halt:
	b halt
.end

注意（要点）：

（1）为何要清除 bss段？
bbs主要记录未初始化和初始化为0的全局（static 修饰的局部）变量的位置，而不会记录其具体数据，因为这部分的数值会默认设置为0

---

（2）程序如何跳转
①：相对跳转
b和bl在汇编语言中是相对跳转的意思
比如对于bl copy2sram
因为这条指令 bl copy2sram是位置无关码，虽然它的运行地址是在SDRAM中的0x30000000，但是它可以在Steppingstone中执行。这条指令的功能是跳转到标号copy2sram处执行，它是一个相对跳转，PC=当前PC的值+偏移量OFFSET
偏移量 = 跳转到地址 - 当前地址 - 8

• 如果调用C函数，在调用主函数之前应该全部使用bl命令，因为如果使用ldr pc,=XXX，程序就回不来了，无法继续执行start.S余下的代码。
• 对于main.c，一般是在start.S最后进行调用，可以直接使用ldr pc,=main进行调用，使程序跳转到sdram上运行，实现代码的重定位
• 对于中断向量表，第一句话 b Reset 应该使用b跳转（不返回），其余全部使用ldr pc,=XXX。第一句话不能使用ldr pc,=XXX，因为这句话会使程序跳转到链接地址处，而此时程序还没有完成代码的重定位，链接地址处并无代码可以执行。不使用bl命令是因为此处不能返回，一旦返回就会执行中断向量表，误触中断

②：绝对跳转

ldr pc,=main

执行这句话以后，程序依据链接地址去需要main所在的运行地址（0x3000,xxxx，在SRAM上），此时main代码已经被拷贝到sdram中，所以得以正确运行
Q:ldr pc,main是否可以正常执行？
A：基本上肯定不可以。ldr pc,=main将直接把main标签处的地址里面的值赋值给pc，而main出的地址所指向的值并不一定指向main函数，所以无法实现跳转。
这里面使用的是指针的思想ldr pc,do_swi 的反汇编是 ldr pc,[pc,#0]：把pc+0地址处的值赋值给pc

---

（3）重定位后代码的运行过程是怎么样的？

首先执行start.S中的位置无关码（这部分要放在start.S的最前面）

• 初始化时钟、启动方式等等
• 初始化SDRAM
• 拷贝代码到SDRAM上
• 清除BSS

最后执行绝对跳转指令，跳转到SDRAM上运行代码

• 执行main

---

（4）怎么样写位置无关码？

• 使用相对跳转命令 b或bl;
• 重定位之前，不可使用绝对地址，不可访问全局变量/静态变量，也不可访问有初始值的数组(因为初始值放在rodata里，使用绝对地址来访问)；
  重定位之后，使用ldr pc = xxx，跳转到/runtime地址；

---

（5）如果代码写成如下形式，是否可以工作？

.text
.code 32
.global _start

_start:
	bl close_watchdog
	bl clock_config
	bl nandornor
	//初始化SDRAM
	bl sdram_init
	//代码重定位
	bl copy2sram
	//清除bss段
	bl cleanbss
	ldr pc, =main
close_watchdog:
	//关闭看门狗
	ldr r0, =0x53000000
	ldr r1, =0
	str r1, [r0]
clock_config:
	//初始化时钟
	ldr r0, =0x4C000000
	ldr r1, =0xFFFFFFFF
	str r1, [r0]

	ldr r0, =0x4C000014
	ldr r1, =0x5
	str r1, [r0]

	mrc p15,0,r0,c1,c0,0
	orr r0,r0,#0xc0000000  
	mcr p15,0,r0,c1,c0,0

	ldr r0, =0x4C000004
	ldr r1, =(92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
	str r1, [r0]

nandornor:
	//设置启动方式
	mov r1, #0
	ldr r0, [r1] 
	str r1, [r1] 
	ldr r2, [r1] 
	cmp r1, r2   
	ldr sp, =0x40000000+4096
	moveq sp, #4096  
	streq r0, [r1]   


copy2sram:
	mov r0,#0
	ldr r1,= _code_start
	ldr r2,= _bss_start
copy:
	ldr r3,[r0]
	str r3,[r1]
	add r1,r1,#4
	add r0,r0,#4
	cmp r1,r2
	ble copy

cleanbss:
	mov r0,#0
	ldr r1,= _bss_start
	ldr r2,= _end
clean:	
	str r0,[r1]
	add r1,r1,#4
	cmp r1,r2
	ble clean
	
halt:
	b halt
.end

答：当然是不可以的
在反汇编中，跳转到某个地址并不是由bl指令所决定，而是由当前pc值决定。反汇编显示这个值只是为了方便读代码。
so，看一下它的反汇编

做出以下修改之后就可以运行了，在每个label的最后添上这么一句话

mov pc,     lr      //返回

为什么第一个start.S中直接写bl，label最后没有添加这句话也可以执行？
因为之前那个是顺序执行，不涉及返回的问题

	bl sdram_init
	//代码重定位
	bl copy2sram
	//清除bss段
	bl cleanbss
	ldr pc, =main

练习：写一个程序：在串口中打印出启动方式信息，代码段起始位置、bss段起始位置和程序最后终止位置，并且实现代码重定位

答案：
main.c:

#include uart.h
char g_char = 'A';

void main()
{
	puts("\n\rhello,relocate!\n\r");
	while(1){
		putch(g_char++);
	}
}

printf_message.c

//打印启动方式
void printf_nand_nor()
{

}
//打印代码起始位置信息
void print_code_start()
{

}
//打印bss起始位置信息
 void print_bss_start()
{

}
 //打印.end起始位置信息
 void print_end_start()
{

}

start.S

.text
.code 32
.global _start

_start:
	bl close_watchdog
	bl clock_config
	bl nandornor
	//初始化SDRAM
	bl sdram_init
	//代码重定位
	bl copy2sram
	//清除bss段
	bl cleanbss
	ldr pc, =main
close_watchdog:
	//关闭看门狗
	ldr r0, =0x53000000
	ldr r1, =0
	str r1, [r0]
	mov pc,lr	//返回
	
clock_config:
	//初始化时钟
	ldr r0, =0x4C000000
	ldr r1, =0xFFFFFFFF
	str r1, [r0]

	ldr r0, =0x4C000014
	ldr r1, =0x5
	str r1, [r0]

	mrc p15,0,r0,c1,c0,0
	orr r0,r0,#0xc0000000  
	mcr p15,0,r0,c1,c0,0

	ldr r0, =0x4C000004
	ldr r1, =(92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
	str r1, [r0]
	mov pc,lr	//返回
	
nandornor:
	//设置启动方式
	mov r1, #0
	ldr r0, [r1] 
	str r1, [r1] 
	ldr r2, [r1] 
	cmp r1, r2   
	ldr sp, =0x40000000+4096
	moveq sp, #4096  
	streq r0, [r1]   
	mov pc,lr	//返回

copy2sram:
	mov r0,#0
	ldr r1,= _code_start
	ldr r2,= _bss_start
copy:
	ldr r3,[r0]
	str r3,[r1]
	add r1,r1,#4
	add r0,r0,#4
	cmp r1,r2
	ble copy

cleanbss:
	mov r0,#0
	ldr r1,= _bss_start
	ldr r2,= _end
clean:	
	str r0,[r1]
	add r1,r1,#4
	cmp r1,r2
	ble clean
	
halt:
	b halt
.end

---

此致！