嵌入式入門5(代碼重定位)
1、概述
由前幾章可知，JZ2440內存控制器能夠直接訪問SDRAM、NOR Flash、SRAM(片內4K內存)，以及各類控制器(包括Nand Flash控制器)，可是不能直接訪問Nand Flash。html
- 當Nor啓動時，CPU能夠直接運行Nor Flash上的程序代碼，此時Nor Flash基地址爲0地址。
- 當Nand啓動時，硬件會將Nand Flash前4K內容拷貝到SRAM(片內4K內存)，CPU從SRAM開始運行，此時SRAM基地址爲0地址。
此時就涉及2個問題：linux
- 一、若是咱們程序大於4k，那如何經過Nand啓動？
- 二、Nor Flash是隻讀的，意味着咱們代碼中的全局變量和靜態變量都沒法進行修改。
解決辦法以下：c++
- Nand啓動時，前4k代碼可以將
代碼段拷貝到SDRAM中，而後讓CPU在SDRAM上繼續執行。 - Nor啓動時，須要把
數據段（保存全局變量和靜態變量）拷貝到SDRAM中。
因此，不管是Nor啓動，仍是Nand啓動，咱們都須要拷貝代碼到SDRAM中。數組
把一個程序從一個位置移動到另外一個位置，稱之爲
重定位。sass
2、測試Nor Flash寫入
main.cmarkdown
#include "uart.h"
void delay(volatile int d) {
while (d--);
}
char g_Char = 'A'; //定義一個全局變量
const char g_Char2 = 'B'; //定義固定的全局變量
int g_A = 0;
int g_B;
int main(void) {
uart0_init();
while(1)
{
putchar(g_Char);
g_Char++;
delay(1000000);
}
return 0;
}
複製代碼
其他的Makefile、start.S、uart.c、uart.h都與前章基本一致。此時編譯出的bin文件大小有33k，顯然是不對的。 查看反編譯dis文件：app
代碼中，各個段的含義：工具
- text段：保存可執行的代碼。
- data段：保存全局變量和靜態(局部/全局)變量
- rodata段：固定的全局變量
- bss段：保存無初值或初值爲0的全局變量。
- comment段：註釋，如gcc編譯信息。
咱們能夠清楚地發現：text段到data段之間，有一片很大的空白區域，咱們稱之爲黑洞區。oop
爲了減小黑洞區的大小，使得bin文件小於4k，讓其可以支持Nand啓動，只須要修改Makefile，手動指定data段的位置爲0x800：測試
all:
arm-linux-gcc -c -o uart.o uart.c
arm-linux-gcc -c -o main.o main.c
arm-linux-gcc -c -o start.o start.S
arm-linux-ld -Ttext 0 -Tdata 0x800 start.o uart.o main.o -o sdram.elf
arm-linux-objcopy -O binary -S sdram.elf sdram.bin
arm-linux-objdump -D sdram.elf > sdram.dis
clean:
rm *.bin *.o *.elf *.dis
複製代碼
而後編譯，發現bin文件變爲3k大小，如何分別燒寫到Nor Flash和Nand Flash，並啓動，觀察打印內容：
Nor啓動時，打印AAAA......
Nand啓動時，打印ABCD......
複製代碼
可見：
Nor Flash只能像普通內存那樣讀，而不能像普通內存那樣寫。
3、連接腳本
爲何經過Nor啓動和Nand啓動打印不同呢？咱們來分析一下緣由。
- Nor啓動
當經過Nor啓動時，0地址爲Nor Flash的基地址，全局變量g_Char被放在0x800的地方，也屬於Nor Flash的範圍，因此此時g_Char++會無效。
- Nand啓動
當經過Nand啓動時，0地址爲SRAM(片內4k內存)的基地址，CPU上電後，硬件會將Nand Flash前4k內容所有拷貝到SRAM中，CPU開始從SRAM執行。而此時全局變量g_Char也被拷貝到SRAM中，因此此時g_Char++有效。
爲了解決Nor Flash裏面的變量不能寫的問題，咱們須要把變量所在的數據段放在SDRAM中。 但是若是隻是簡單的修改Makefile，指定數據段爲0x30000000，以下：
arm-linux-ld -Ttext 0 -Tdata 0x30000000 start.o uart.o main.o -o sdram.elf
複製代碼
編譯後，bin文件有700多M，這麼大的黑洞區，誰都難以忍受。
那如何才能將數據段在bin文件中，緊靠代碼段放置，而在運行時，放到0x30000000的地方？
有如下兩個辦法：
- 一、第一個方法
把數據段的g_Char和代碼段靠在一塊兒；
燒寫在Nor Flash上面；
運行時把g_char(全局變量)複製到SDRAM，即0x3000000位置；
- 二、第二個方法
讓文件直接從0x30000000開始，全局變量在0x3......；
燒寫Nor Flash上 0地址處；
運行會把整個代碼段數據段(整個程序)從0地址複製到SDRAM的0x30000000；
上面兩個方法的區別在於：前者只重定位了數據段，後者重定位了整個程序。
3.一、連接腳本的引入
若是想使用重定位，須要使用連接腳本 Using LD, the GNU linker
若是咱們不使用連接腳本，bin文件中，代碼存放的順序，是按照連接順序來存放的。
修改Makefile
all:
arm-linux-gcc -c -o init.o init.c
arm-linux-gcc -c -o uart.o uart.c
arm-linux-gcc -c -o main.o main.c
arm-linux-gcc -c -o start.o start.S
#arm-linux-ld -Ttext 0 -Tdata 0x800 start.o uart.o main.o -o sdram.elf
arm-linux-ld -T sdram.lds start.o init.o uart.o main.o -o sdram.elf
arm-linux-objcopy -O binary -S sdram.elf sdram.bin
arm-linux-objdump -D sdram.elf > sdram.dis
clean:
rm *.bin *.o *.elf *.dis
複製代碼
建立連接腳本sdram.lds：
SECTIONS {
.text 0 : { *(.text) }
.rodata : { *(.rodata) }
.data 0x30000000 : AT(0x800) { *(.data) }
.bss : { *(.bss) *(.COMMON)}
}
複製代碼
SECTIONS中，表示數據的組織形式：
- 一、
.text表示存放代碼段，0表示將內容放入0地址，{*(.text)}表示全部文件的代碼段。因此這句話的意思是：把全部文件的代碼段放到0地址。 - 二、第二句也相似，
.rodata表示存放只讀數據段，緊跟在.text內容後面，{ *(.rodata) }將表示全部文件的只讀數據段。 - 三、第三句，bin文件中0x800的位置存放全部文件的數據段，這些內容理論上應該放到0x30000000。
- 四、第四句，將全部文件的bss段和common段，放到bss段。
咱們編譯源碼，查看反編譯內容：
Disassembly of section .rodata:
000003a0 <g_Char2>:
3a0: Address 0x000003a0 is out of bounds.
Disassembly of section .data:
30000000 <g_Char>:
30000000: Address 0x30000000 is out of bounds.
Disassembly of section .bss:
30000004 <g_A>:
30000004: 00000000 andeq r0, r0, r0
30000008 <g_B>:
30000008: 00000000 andeq r0, r0, r0
複製代碼
能夠看到，數據段中的g_Char變量，地址爲0x30000000，但是咱們bin文件只有3k大小。也就是說：
這些代碼雖然存放在bin文件的0x800的位置，可是，後面這些代碼會被在0x30000000位置進行執行。
那如何將這些存放在0x800的代碼"搬運"到0x30000000呢？ 這就須要咱們手動去完成，修改start.S：
.text
.global _start
_start:
/* 省略如下代碼：
一、關閉看門狗
二、設置時鐘
三、設置棧指針
*/
bl sdram_init
/* 重定位data段，只copy 32位（4字節） */
mov r1, #0x800
ldr r0, [r1]
mov r1, #0x30000000
str r0, [r1]
bl main
halt:
b halt
複製代碼
因爲須要從data段拷貝4字節到SDRAM，因此須要提早初始化SDRAM。
再次編譯，而後燒寫到Nor和Nand Flash中，程序都正常執行。
3.二、連接腳本優化
上個程序中，咱們只重定位data段的4個字節，可是，當咱們程序有多個全局變量，就會出現問題：
main.c
#include "uart.h"
void delay(volatile int d) {
while (d--);
}
char g_Char1 = 'A'; //定義一個全局變量
char g_temp1 = '-';
char g_temp2 = '-';
char g_Char2 = 'a';
char g_Char3 = '1'; //定義一個全局變量
// 因爲只copy 4字節，因此g_Char3無效
const char g_Char = 'B'; //定義固定的全局變量
int g_A = 0;
int g_B;
int main(void) {
uart0_init();
while(1)
{
putchar(g_Char1);
putchar(g_Char2);
putchar(g_Char3);
g_Char1++;
g_Char2++;
g_Char3++;
delay(1000000);
}
return 0;
}
複製代碼
運行上面程序，發現g_Char一、g_Char2運行正常，而g_Char3運行不正確，這是由於咱們未將g_Char3的內容重定位到SDRAM。
此時，咱們須要修改連接腳本，使得其能重定位多個字節。
sdram.lds
SECTIONS {
.text 0 : { *(.text) }
.rodata : { *(.rodata) }
.data 0x30000000 : AT(0x800)
{
data_load_addr = LOADADDR(.data);
data_start = . ;
*(.data)
data_end = . ;
}
.bss : { *(.bss) *(.COMMON)}
}
複製代碼
LOADADDR宏，能夠獲得data段在bin文件的地址，即加載地址。
而data_start = .，表示運行地址。
也就是說，咱們只需將data_load_addr的內容copy到data_start上，拷貝長度爲data_end - data_start。
從新修改start.S重定位的內容：
.text
.global _start
_start:
/* 省略如下代碼：
一、關閉看門狗
二、設置時鐘
三、設置棧指針
*/
bl sdram_init
/* 重定位data段 */
ldr r1, =data_load_addr /* data段在bin文件中的地址，加載地址 */
ldr r2, =data_start /* data段在重定位地址,運行時的地址 */
ldr r3, =data_end /* data段結束地址 */
cpy:
ldrb r4, [r1]
strb r4, [r2]
add r1, r1, #1
add r2, r2, #1
cmp r2, r3
bne cpy
bl main
halt:
b halt
複製代碼
編譯並燒寫，運行後，程序輸出預期結果。
3.三、連接腳本解析
連接腳本的通用格式以下：
SECTIONS {
...
secname start BLOCK(align) (NOLOAD) : AT ( ldadr )
{ contents } >region :phdr =fill
...
}
複製代碼
secname，段名，這裏能夠隨便取start，起始地址：運行時地址，重定位地址ldadr，加載地址，默認對於運行時地址。contents，內容：
能夠直接指定某個文件（如
start.o），把整個文件放在整個段中。
也能夠指定某個段(如*(.text))，把全部文件的這個段放到該段中。
或者start.o *(.text)，先存放start.o整個文件，再將其他文件的代碼段存入。
- 一、連接到elf文件，包含地址信息（如：加載地址）。
- 二、使用加載器，把elf文件讀入內存
對應裸板，是JTAG調試工具 對於app，加載器也是app
- 三、運行
- 四、若是load addr != runtime addr，程序自己要重定位。
4、清除BSS段
BSS段：用來存放爲無初值或初值爲0的全局變量。
上節中，咱們重定位了數據段，但沒有清除BSS段。這會致使咱們訪問這些變量時，會獲得髒數據，因此咱們須要手動清除BSS段。
注意：bss段並不會保存在bin文件和elf文件中，由於這樣作是毫無心義的。
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 = .;
}
複製代碼
start.S
.text
.global _start
_start:
/* 省略如下代碼：
一、關閉看門狗
二、設置時鐘
三、設置棧指針
*/
bl sdram_init
/* 重定位data段 */
ldr r1, =data_load_addr /* data段在bin文件中的地址，加載地址 */
ldr r2, =data_start /* data段在重定位地址,運行時的地址 */
ldr r3, =data_end /* data段結束地址 */
cpy:
ldr r4, [r1]
str r4, [r2]
add r1, r1, #4
add r2, r2, #4
cmp r2, r3
ble cpy
/* 清除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
bl main
halt:
b halt
複製代碼
這裏咱們作了如下優化：
- 一、重定位和清除bss段的代碼中，將原先每次操做1字節，改成每次操做4字節。
- 二、作了4字節對齊操做。
假如咱們不作4字節對齊操做，那麼在清除bss段時，假如清除的地址不是4字節的整數倍，CPU會向下取整，可能會清除別的段中的數據。
因此在連接腳本中，咱們添加了. = ALIGN(4);，用於段的4字節對齊。
打印bss段中的變量，看看清除是否有效：
uart.c
//......
void printHex(unsigned int val) {
int i;
unsigned char arr[8];
/* 先取每一位值 */
for (i = 0; i < 8; i++)
{
arr[i] = val & 0xf;
val >>= 4;
}
/* 打印 */
puts("0x");
for (i = 7; i >=0; i--)
{
if (arr[i] <= 9)
{
putchar(arr[i] + '0');
}
else
{
putchar(arr[i] - 10 + 'A');
}
}
}
複製代碼
main.c
#include "uart.h"
void delay(volatile int d) {
while (d--);
}
char g_Char1 = 'A'; //定義一個全局變量
char g_temp1 = '-';
char g_temp2 = '-';
char g_Char2 = 'a';
char g_Char3 = '1'; //定義一個全局變量
//因爲只copy 4字節，因此g_Char3無效
const char g_Char = 'B'; //定義固定的全局變量
int g_A = 0;
int g_B;
int main(void) {
uart0_init();
puts("\n\rg_A = ");
printHex(g_A);
puts("\n\r");
while(1)
{
putchar(g_Char1);
putchar(g_Char2);
putchar(g_Char3);
g_Char1++;
g_Char2++;
g_Char3++;
delay(1000000);
}
return 0;
}
複製代碼
運行後，結果與預期一致：g_A = 0x00000000。
5、代碼重定位與位置無關碼
以前也介紹過，解決黑洞區有2種方法：
一、只重定位數據段。
二、重定位整個程序。
在前面章節中，咱們都是使用的第一種方法，但第二種方法其實對應Linux開發板來講，更加適用，緣由以下：
一、Linux不一樣於單片機，它對內存大小沒那麼高的要求。
二、第一種方式只適用於可以運行程序的Flash，假如從Nand Flash、SD卡加載運行，就只能用第二種方式，將程序拷貝到內存中運行。
三、JTAG調試工具只支持第二種連接腳本，不支持第一種分體式的連接腳本。
重定位整個程序
sdram.lds
SECTIONS
{
. = 0x30000000;
. = ALIGN(4);
.text : { *(.text) }
. = ALIGN(4);
.rodata : { *(.rodata) }
. = ALIGN(4);
.data : { *(.data) }
. = ALIGN(4);
__bss_start = .;
.bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
_end = .;
}
複製代碼
這裏直接指定程序開始的運行地址爲0x30000000。
start.S
.text
.global _start
_start:
/* 省略如下代碼：
一、關閉看門狗
二、設置時鐘
三、設置棧指針
*/
bl sdram_init
/* 重定位text, rodata, data段 */
mov r1, #0
ldr r2, =_start /* 第1條指令運行時的地址 */
ldr r3, =__bss_start /* bss段的起始地址 */
cpy:
ldr r4, [r1]
str r4, [r2]
add r1, r1, #4
add r2, r2, #4
cmp r2, r3
ble cpy
/* 清除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
bl main
halt:
b halt
複製代碼
上述的代碼在運行時，前面部分會將整個程序複製到SDRAM，並清除BSS段。可是在編譯腳本里，整個程序的運行地址被指定到SDRAM上，這就引出一個問題：
爲何當咱們經過Nor啓動或Nand啓動時，運行地址爲SDRAM的程序，也能在Nor Flash或SRAM上正常運行？
此時CPU依舊運行在原先的內存芯片上，並未在SDRAM上執行。也就是說：
- 當Nor啓動時，CPU在Nor上執行代碼，而後去SDRAM上讀寫全局變量。
- 當Nand啓動時，CPU在SRAM上執行代碼，而後去SDRAM上讀寫全局變量。
這就意味着，前面這部分的代碼，必須與位置無關。查看反編譯dis文件：
裏面有一行代碼eb000018 bl 300000c4 <sdram_init>，但是，此時SDRAM並未初始化，訪問300000c4確定會出問題，這是怎麼回事呢？
原來，這句代碼其實並無直接跳到300000c4，而是跳到pc + offset位置，即該條指令與位置無關，不管放到哪一個位置執行，都能正確被執行。
咱們能夠修改連接腳本的運行地址爲0x32000000，這條指令的變成eb000018 bl 320000c4 <sdram_init>，機器碼並無改變，剛好驗證咱們的猜想。
在dis文件中，
bl 0x3xxxxxxx只是起方便查看的做用，而不是真正的跳轉到這個地址上。
那怎麼寫位置無關的程序？
- 一、調用程序時，使用B/BL相對跳轉指令。
- 二、重定位以前，不可以使用絕對地址，好比：
不可訪問全局變量、靜態變量。
不可訪問有初始值數組(初始化值存放到rodata中，使用絕對地址來訪問)
- 三、重定位以後，使用
ldr pc, =xxx，跳轉到Runtime Add，好比：ldr pc, =main
因此如今，咱們須要讓CPU在SDRAM上執行，而不是原先的內存芯片上。這是咱們只須要將相對跳轉指令：
bl main // bl相對跳轉，程序仍在NOR/sram執行
複製代碼
修改成絕對跳轉指令：
ldr pc, =main // 絕對跳轉，跳到SDRAM
複製代碼
編譯燒寫運行，發現程序運行速度明顯變快。
6、C語言實現重定位和清除BSS段
start.S
.text
.global _start
_start:
/* 省略如下代碼：
一、關閉看門狗
二、設置時鐘
三、設置棧指針
*/
bl sdram_init
bl copy2sdram
bl clean_bss
bl uart0_init
//bl main /*bl相對跳轉，程序仍在NOR/sram執行*/
ldr pc, =main /*絕對跳轉，跳到SDRAM*/
halt:
b halt
複製代碼
init.c
void copy2sdram() {
extern int _start, __bss_start;
unsigned int* src = (unsigned int*)0;
unsigned int* start = (unsigned int*)&_start;
unsigned int* end = (unsigned int*)&__bss_start;
while(start < end)
{
*start++ = *src++;
}
}
void clean_bss() {
extern int __bss_start, _end;
unsigned int* start = (unsigned int*)&__bss_start;
unsigned int* end = (unsigned int*)&_end;
while(start < end)
{
*start++ = 0;
}
}
複製代碼
這裏，咱們在c語言中使調用了lds連接腳本和start.S啓動文件中的變量。這些變量，被保存在了symbol table符號表中。
- 對於c文件：在編譯時，symbol table裏面存放了c變量的名字（name) 。在連接時，肯定變量的地址。
- 對於lds文件：爲了在C程序中使用lds中的值，藉助了symbol table保存lds的變量的值，一樣是在編譯時，在symbol table裏面存放了lds中變量的名字（name)，在連接時肯定變量的值（注意：不是地址）。
這些變量，在彙編代碼中能夠直接使用，而在c語言裏，須要經過extern關鍵字引入，而後取址得到。
main.c
#include "uart.h"
void delay(volatile int d) {
while (d--);
}
char g_Char1 = 'A'; //定義一個全局變量
char g_temp1 = '-';
char g_temp2 = '-';
char g_Char2 = 'a';
char g_Char3 = '1'; //定義一個全局變量
//因爲只copy 4字節，因此g_Char3無效
const char g_Char = 'B'; //定義固定的全局變量
int g_A = 0;
int g_B;
int main(void) {
puts("\n\rg_A = ");
printHex(g_A);
puts("\n\r");
while(1)
{
putchar(g_Char1);
putchar(g_Char2);
putchar(g_Char3);
g_Char1++;
g_Char2++;
g_Char3++;
delay(1000000);
}
return 0;
}
複製代碼
編譯燒寫運行 ，一切正常。
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