代码重定位

发布时间:2024-07-31  

1 说明

实验平台:     JZ2440

CPU:     S3C2440

 

2 S3C2440的启动过程

图1 S3C2440A Memory Map after Reset

 

S3C2440支持从多种存储设备启动:NOR/NAND Flash, EEPROM, 等等。芯片内部有4K SRAM用于启动设备使用。至于,设备最终以哪一种方式启动,通过配置芯片的OM引脚,由芯片内部实现。

 

摘自《S3C2440A_UserManual_Rev13》:

                        图2 BANK0 BUS WIDTH

 

举个例子,当选择以NOR Flash的方式启动时,芯片的0地址(4K地址空间)会直接映射到Nor Flash上,CPU直接从Nor Flash读取指令,并执行;当选择以Nand Flash启动时,S3C244会把Nand Flash的前4K数据,复制到芯片内部SRAM中,然后CPU从内部SRAM读取指令,并执行。(NOR Flash 是由内存控制器直接驱动的,而NAND Flash是由NAND Flash控制器驱动的,NAND Flash控制器则由内存控制器驱动,因此NOR Flash是CPU统一编址的,而NAND Flash不是,因此他们间的启动方式是有区别的)。

 

3 分析可执行文件

*.elf与*.bin文件的区别

bin文件:二进制文件,只包含机器码;可在机器中直接运行。

elf文件:除了机器码外,还包含其他额外的信息,例如:段的运行地址,加载地址,重定位表,符号表等等;只能运行于带操作系统的机器,经操作系统解析(提取出机器码)后执行;可用于调试。

通过"arm-linux-ld -T target.lds *.o -o *.elf"链接得到*.elf文件;然后通过"arm-linux-objcopy -O binary -S *.elf *.bin"把*.elf转换成*.bin文件。

 

4 链接脚本

4.1 程序的组成

程序由代码段、数据段、只读数据段、BSS段、注释段组成,其中BSS段、注释段不存放于bin文件或elf文件中。

.text:    代码段;程序中的可执行部分。

.data:    数据段;程序中的全局变量。

.rodata:    只读数据段;程序中的const类型变量。

.bss:    BSS段;程序中未初始化的或初始值为0的全局变量。

.COMMON:    注释段。

注意:局部变量是随着函数的调用,在栈中分配,并在函数退出时释放。

 

4.2 链接脚本说明

当不适用链接脚本指示链接器进行连接时,链接的顺序按照Makefile中,文件的放置顺序进行链接,注意把start.o防置在最前面,否则程序运行会出错。Makefile中使用链接脚本:[-T *.lds]。

 

链接脚本的格式:

    SECTIONS{

        secname start Block(align) (NOLOAD) : AT(ldadr)

        {

contents > region : phdr = fill

}

}

 

示例:

图3 链接脚本示例说明

 

注意:链接脚本中,每个段的起始地址应当设置为4字节对齐,因为汇编指令会自动把需要操作的地址,自动进行4字节对齐,如果我们对一个非4字节对齐的地址进行操作,会出现意想不到的错误。

例如:

    ldr r1, =0x32000000

    ldr r2, =0

    str r2, [r1]

我们期望的结果是,[0x32000000] = 0;但是实际的结果是[0x30000000] = 0;这不是我们想要的。

 

5 代码重定位

5.1 代码重定位的意义

从NOR Flash启动的角度分析:

程序可以直接在NOR Flash上执行。NOR Flash可以通过地址直接读取,但是不能直接执行写操作,必须通过特定的操作,才能实现写操作,因此在NOR Flash上则行程序,其全局变量是无法更改的,因此,我们需要把烧写到NOR Flash上的程序重新重定位到SDRAM上。

 

从NAND Flash启动的角度分析:

程序不可以直接在NAND Flash上执行;通过配置OM引脚,当选择NAND Flash为启动方式时,芯片内部固件会把NAND Flash的前4K复制到内部SRAM,程序从SRAM的0地址开始执行,当程序超过4K时,为了保证程序能正常运行,一般前4K的代码实现把程序复制到SDRAM上,然后在SDRAM上执行程序。

 

特别说明:在函数内部声明一个已初始化的数组,数组的元素是存放于代码段的;在调用这个函数时,会声明一个局部变量的指针(数组名),使该指针指向数组元素位于代码段的首地址,完成初始化动作,因此,未重定位之前,不能使用数组。

 

5.2 重定位的方式

5.2.1 lds文件中的变量

通过对lds文件中的变量进行赋值,在C函数中,通过外部声明,可以获取对应段的地址信息。

            图4

 

实际上,lds文件中的变量,并不会保存在程序中,编译程序时,有一个符号表(Symbol Table)保存lds中的变量,当程序需要使用lds中的变量时,通过声明外部变量的方法,通过取值,获取变量的值。例如:extern int name;target = &name;。

图5 Symbol Table

 

5.2.2 重定位的方式

只重定位数据段:

程序运行过程中,只有程序中的数据段和BSS段是可能被代码段修改的,因此在程序运行后,可以只把程序中的数据段以及BSS段重新定位到SDRAM中。

在程序运行中,只需把存放于加载地址的数据段、BSS段,重新定位到运行时地址所指示的位置即可。

 

重定位整个程序:

在程序运行后,把整个程序重新定位到SDRAM中。

 

5.2.3 位置无关码

b/bl指令是相对跳转指令,跳转的目标地址只与当前PC值有关,与运行时地址无关,因此虽然烧写到NOR Flash上的程序的运行时地址指向SDRAM存储空间的起始地址(这里是0x30000000),由于b/bl是相对跳转的,因此,只要在完成重定位操作之前,不涉及全局变量、静态变量的操作,程序可以正常运行。通过操作相对地址指令实现的代码,也称为位置无关码。

注意,重定位完成后,需要跳转到C函数去执行程序时,应该使用绝对跳转(直接修改PC值),而不能使用相对跳转,否则无法跳到SDRAM上去执行。

 

附录1 程序源码

Makefile

 

target.lds

 

Start.S

 

Relocate.c

 

附录2 参考文档

《S3C2440用户手册》

《The GNU linker》


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