代码重定位

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》