Lesson 13. Relocations

1. The introduction of relocation

NOR FLASH 可以像内存一样的读，但不能像内存一样的写。无法直接去修改全局变量和静态变量
NAND FLASH 把前面4k的代码放入SRAM。如果程序大于4k时，前面4k的代码需要把整个程序读出来
针对以上情况，引入重定位

Program Structure

代码段：text
数据段（全局变量）：data
只读全局变量（const）：rodata
初始值为0，或者无初始值的全局变量：bss
注释段：common

Note:

bss和common段不保存在bin中

2. Improved connection script

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

secname和contents是必须的，其他可选
secname：段名，用来命名此段
contents：决定哪些内容放在本段，可以是整个目标文件（.o）也可以是目标文件中的某段（代码段，数据段等）。start.o或者这样start.o *(.text)
start：是段的重定位地址，即本段运行的地址。如果代码中有位置无关指令，程序运行时这个段必须放在这个地址上。start可以用在任意一种描述地址的符号来描述
BLOCK（align）指定快对齐。比如，前面一个段从0x30000000到0x300003F1此处标记ALIGN(4)，表示此处最小占用4Bytes，即使下一个段是紧挨这个段，那么下一个段的起始位置（也就是运行地址）为0x0x300003F4。
NOLOAD：告诉加载器程序运行时不加载该段到内存
AT(ldadr)：定义本段存储的地址，如果不使用这个选项，则加载地址等于运行地址，通过这个选项可以控制隔断分别保存于输出文件中不同的位置。

3. simple script to explain the link

Makefile

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

1.使用链接脚本时，它将所以的.o文件生成了一个.elf格式的文件。含有地址信息（load addr）
2.使用加载器。把elf文件读入内存（读到load addr）
    对裸板，加载器是JTAG调试工具
    对APP，加载器也是APP
3.运行
4.如果load addr != runtime addr程序本身要重定位

4. The relocation is achieved by compiling

Relocation process

1.代码被编译成一个bin文件
2.bin文件烧写到flash中
3.flash中的代码被重定位（拷贝）到sdram中
启动开发板时，代码先从flash上运行

Relocation of two ways

A. only re-positioning data segment (for SCM)

Description:

代码段和数据段运行时的地址是分开的
代码段运行时的地址是 0
数据段运行时的地址是 0x30000000

Makefile

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

sdram.lds

SECTIONS{
    .text 0 : {*(.text)}
    .rodata : {*(.rodata)}
    .data 0x30000000 : AT(0x800)
    {
        data_load_addr = LOADADDR(.data);
        . = ALIGN(4);
        data_start = . ;
        *(.data)
        data_end = . ;
    }

    . = ALIGN(4);
    bss_start = .;
    .bss : {*.(bss) *(.COMMON)}
    bss_end = .;
}

start.S

    bl sdram_init    /*    初始化sdram    */

    /*  重定位data段    */
    ldr r1, =data_load_addr
    ldr r2, =data_start
    ldr r3, =data_end

cpy:
    ldr r4, [r1]
    str r4, [r2]
    add r1, r1, #4
    add r2, r2, #4
    cmp r2, r3
    ble cpy         /*  小于或等于跳转 */

    /*  清楚bss段  */
    ldr r1, =bss_start
    ldr r2, =bss_end
    mov r3, #0

clean:
    str r3, [r1]
            add r1, r1, #4
    cmp r1, r2
    ble clean

B. Relocation entire program (common)

Description:

代码段和数据段是一体的

Precautions

1.链接脚本中指定runtime addr为SDRAM
2.重定位之前的代码与位置无关（此时代码在flash上运行），用位置无关码写成
注：重定位拷贝代码后应该有两份代码，一份在flash中，一份在SDRAM中

sdram.lds

SECTIONS{
    . = 0x30000000;
    
    __code_start = .;
    . = ALIGN(4);
    .text : {*(.text)}
    
    . = ALIGN(4);
    .rodata : {*(.rodata)}
    
    . = ALIGN(4);
    .data : {*(.data)}
    
    . = ALIGN(4);
    __bss_start = .;
    .bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
    _end = .;
}

start.S

    bl sdram_init

    /*  重定位text, rodata, data段  */
    mov r1, #0
    ldr r2, =_start
    ldr r3, =_bss_start

cpy:
    ldr r4, [r1]
    str r4, [r2]
    add r1, r1, #4
    add r2, r2, #4
    cmp r1, r2
    ble cpy

    /*  清楚bss段  */
    ldr r1, =_bss_start
    ldr r2, = _end
    mov r3, #0

clean:
    str r3, [r1]
    add r1, r1, #4
    cmp r1, r2
    ble clean

The relative jump, an absolute jump

相对跳转：b/bl
说明：相对跳转，它是相对于当前运行时所处的环境而言的。比如说现在在NorFlash运行代码，则会跳到NorFlash上去执行代码。而不会去SDRAM上去执行代码
eg:
    bl main

绝对跳转：ldr pc， =???
当NorFlash上完成了SDRAM的初始化和重定位后，就可以使用绝对跳转。使程序从NorFlash上跳转到SDRAM上。
eg:
    ldr pc, =main

Diagram

注释：
    黑色为相对跳转
    红色为绝对跳转

Precautions

重定位之前，不可使用绝对地址，即不可访问全局变量，静态变量，不可访问有初始值的数组。因为这些放在data段。

6.c language to implement the relocation SDRAM

Knowledge supplement

1.C程序中不保存lds文件中的变量
2.借助symbol table保存lds文件中的变量，使用时加上"&"得到它的地址从而得到它的值

start.S

/* 重定位text, rodata, data段整个程序 */
bl copy2sdram

/* 清除BSS段 */
bl clean_bss

init.c

void copy2sdram(void)
{
    extern int __code_start, __bss_start;

    volatile unsigned int *dest = (volatile unsigned int *)&__code_start;
    volatile unsigned int *end  = (volatile unsigned int *)&__bss_start;
    volatile unsigned int *src = 0;
    
    while(dest < end)
    {
        *dest++ = *src++;
    }
}

void clean_bss(void)
{
    extern int _end, __bss_start;

    volatile unsigned int *start  = (volatile unsigned int *)&__bss_start;
    volatile unsigned int *dest = (volatile unsigned int *)&_end;

    while(start < dest)
    {
        *start++ = 0;
    }
}