代码重定位

我们现在来解决代码重定位实验（一）所引入的代码重定位问题。

对于S3C2440来说：

BIN文件小于4KB时：

若是Nand方式启动，则不存在任何问题

若是Nor方式启动，则我们可以只重定位.data段即可

当BIN文件大于4KB时：

若是Nand方式启动，则需要重定位整个程序，包括代码段和数据段

若是以Nor方式启动，则依然只重定位.data段即可

只重定位.data段和清零.bss段

对于重定位.data段的代码，正常情况下应该是使用汇编来编写的，我为了简便起见，使用了C语言来编写。由于此时尚未重定位数据段和清零BSS段，是不应该调用C函数的。但是我保证了这两个函数不访问全局变量，所以只要正确设置了栈指针，调用也可以正常工作。

使用的链接脚本relocate.lds如下：

SECTIONS {

.text 0 : {*(.text)}

.rodata : {*(.rodata)}

_data_offset = .;

.data 0x30000000 : AT(_data_offset) {

_data_LMA = LOADADDR(.data);

_data_start = .;

*(.data)

_data_end = .;

}

_bss_start = .;

.bss : { *(.bss) }

_bss_end = .;

}

relocate.c

extern unsigned char _data_offset;

extern unsigned char _data_start;

extern unsigned char _data_end;

extern unsigned char _bss_start;

extern unsigned char _bss_end;

void copyDataSection(void){

volatile unsigned char *dataLMA = &_data_offset;

volatile unsigned char *start = &_data_start;

volatile unsigned char * end = &_data_end;

while(start <= end){

*start = *dataLMA;

start++;

dataLMA++;

}

}

void clearBSS(void){

volatile unsigned char* start = &_bss_start;

volatile unsigned char* end = &_bss_end;

while(start < end){

*start = 0;

start++;

}

}

CRT0.S

.text

.global _start

_start:

/* 1.关闭看门狗 */

ldr r0, =0x53000000

ldr r1, =0

str r1, [r0]

/* 2.设置时钟 */

/* 2.1 设置LOCKTIME(0x4C000000)=0xFFFFFFFF */

ldr r0, =0x4C000000

ldr r1, =0xFFFFFFFF

str r1, [r0]

/* 2.2 设置CLKDIVN(0x4C000014) = 0x5 FCLK : HCLK : PCLK = 400m : 100m : 50m*/

ldr r0, =0x4C000014

ldr r1, =0x5

str r1, [r0]

/* 2.3 设置CPU处于异步模式 */

mrc p15,0,r0,c1,c0,0

orr r0,r0,#0xc0000000 /* #R1_nF:OR:R1_iA */

mcr p15,0,r0,c1,c0,0

/* 2.4 设置MPLLCON(0x4C000004)=(92<<12) | (1 << 4) | (1 << 0)

* m = MDIV + 8 = 100

* p = PDIV + 2 = 3

* s = SDIV = 1

* Mpll = (2 * m * Fin) / (p * 2 ^ s)= (2 * 100 * 12) / (3 * 2 ^ 1) = 400MHZ

*/

ldr r0, =0x4C000004

ldr r1, =(92<<12) | (1 << 4) | (1 << 0)

str r1, [r0]

/* 一旦设置PLL, 就会锁定lock time直到PLL输出稳定

* 然后CPU工作于新的频率FCLK

*/

/* 3.设置栈

* 自动分辨NOR启动或者NAND启动

* 向0地址写入0，在读出来,如果写入则是NAND,否则是NOR

*/

ldr r0, =0

ldr r1, [r0] /* 读出原来的值备份 */

str r0, [r0] /* 向0地址写入0 */

ldr r2, [r0] /* 再次读出来 */

cmp r1, r2

ldr sp, =0x40000000 + 4096 /* nor启动 */

movne sp, #4096 /* nand启动 */

strne r1, [r0] /* 恢复原来的值 */

//初始化SDRAM内存控制器

bl sdram_init

bl copyDataSection

bl clearBSS

bl main

halt:

b halt

main.c:

#include "myprintf.h"

#include "uart.h"

#include "util.h"

char gCh = 'A';

char gCh1;

int main(void) {

uart0_init();

printf("%snr", "NorFlash Relocate Test.");

while(1) {

gCh++;

printf("%c(0x%x)", gCh, gCh);

wait(800000);

}

return 0;

}

将编译生成的BIN文件烧写至NorFlash中，启动开发板，发现可以main函数正常修改全局变量了，如下图所示：

上述代码效率改进

从拷贝函数中可以看出，我们每次只拷贝一个字节。而JZ2440的SDRAM是32位的，这样拷贝的话效率就很低。为此，我们一次拷贝4个字节的数据。我们修改relocate.c文件如下所示：

relocate.c

extern unsigned int _data_offset;

extern unsigned int _data_start;

extern unsigned int _data_end;

extern unsigned int _bss_start;

extern unsigned int _bss_end;

void copyDataSection(void){

volatile unsigned int *dataLMA = &_data_offset;

volatile unsigned int *start = &_data_start;

volatile unsigned int * end = &_data_end;

while(start <= end){

*start = *dataLMA;

start++;

dataLMA++;

}

}

void clearBSS(void){

volatile unsigned int* start = &_bss_start;

volatile unsigned int* end = &_bss_end;

while(start < end){

*start = 0;

start++;

}

}

再次编译烧写至开发板，以Nor方式启动，并上电观察。

通过上述动态图可以看出，全局变量gCh本来是等于‘A’，对应0x41。但是现在却是0了，被清零了。这是为什么呢？为什么清零.bss段的时候，会把.data段的值给清掉呢？

我们观察清零.bss段的反汇编，如下所示：

Disassembly of section .data:

30000000 <_data_start>:

30000000: 41 .byte 0x41

Disassembly of section .bss:

30000001 :

...

00000d2c :

d2c: e52db004 push {fp} ; (str fp, [sp, #-4]!)

d30: e28db000 add fp, sp, #0 ; 0x0

d34: e24dd00c sub sp, sp, #12 ; 0xc

d38: e59f3040 ldr r3, [pc, #64] ; d80

d3c: e50b300c str r3, [fp, #-12]

d40: e59f303c ldr r3, [pc, #60] ; d84

d44: e50b3008 str r3, [fp, #-8]

d48: ea000005 b d64

d4c: e51b200c ldr r2, [fp, #-12]

d50: e3a03000 mov r3, #0 ; 0x0

d54: e5c23000 strb r3, [r2]

d58: e51b300c ldr r3, [fp, #-12]

d5c: e2833001 add r3, r3, #1 ; 0x1

d60: e50b300c str r3, [fp, #-12]

d64: e51b200c ldr r2, [fp, #-12]

d68: e51b3008 ldr r3, [fp, #-8]

d6c: e1520003 cmp r2, r3

d70: 3afffff5 bcc d4c

d74: e28bd000 add sp, fp, #0 ; 0x0

d78: e8bd0800 pop {fp}

d7c: e12fff1e bx lr

d80: 30000001 .word 0x30000001

d84: 30000002 .word 0x30000002

由该段汇编代码可知，它对0x30000001地址开始，到0x30000002地址前一个字节为止，进行了清零操作。而数据段.data的地址位于0x30000000处，所以理论上好像不会被清掉。

我们再观察SDRAM的电路图可知：

CPU发出的地址线最低两位没有接到SDRAM芯片上，因为两片SDRAM组成了32位的数据总线，CPU对于内存是按照4字节寻址的，地址线的最低两位被忽略，默认为0。

所以若是单次访问4个字节的数据，无论是访问地址0x30000001、0x30000002或者0x30000003，CPU最终访问的都是0x30000000开始的四字节数据。所以数据段的数据就在清零.bss段时被清理掉了。

问题原因找到了，解决方法就简单了。我们在链接脚本中主动让数据段和BSS段都按4字节先对齐好，就不会有问题了。修改链接脚本如下所示：

relocate.lds:

SECTIONS {

.text 0 : {*(.text)}

.rodata : {*(.rodata)}

/*按4字节对齐*/

. = ALIGN(4);

_data_offset = .;

.data 0x30000000 : AT(_data_offset) {

_data_LMA = LOADADDR(.data);

_data_start = .;

*(.data)

_data_end = .;

}

/*按4字节对齐*/

. = ALIGN(4);

_bss_start = .;

.bss : { *(.bss) }

_bss_end = .;

}

重新编译，以Nor方式启动，上电观察，又恢复正常了。

重定位整个程序

当我们的开发板是以Nand方式启动，并且BIN文件超过4KB时，则需要重定位整个程序，包括代码段和数据段。为此，我们需要引入一个概念：位置无关代码。位置无关代码(PIC：Position Independent Code)，就是无论被加载到任何地址空间都可以正常工作的代码。

那么怎么写位置无关的程序呢？

调用程序时使用b或者bl相对跳转指令

重定位之前，不能使用绝对地址，不可访问全局变量或者静态变量

不可访问有初始值的数组（因为这些初始值放置在.rodata段内，而.rodata段是位置相关的，不在栈中）

重定位之后，需要使用绝对跳转指令跳转到运行时地址（链接地址）处开始执行，比如ldr pc, =main

由于我们还没有涉及到Nand Flash的操作实验（下一篇文章），而Nand Flash不能像访问内存一样地读取数据，所以我们还是先将BIN文件烧写至Nor Flash，并以Nor Flash方式启动，进行整个程序的重定位。

跳转指令

在汇编文件中调用main函数时，注意必须使用绝对跳转指令：

ldr pc, =main

而不能使用bl main这种位置无关指令，否则仍旧是在Nor Flash或者是SRAM中运行。

又因为ldr pc, =main指令并不改变lr寄存器存储的返回地址，所以在跳转到main函数之前，要修改lr，使其指向halt，否则从main函数返回，会重新再一次执行ldr pc, =main指令，如下所示：

ldr lr, =halt

ldr pc, =main

全部文件如下所示：

我们列出最主要的几个源码文件：

CRT0.S

.text

.global _start

_start:

/* 1.关闭看门狗 */

ldr r0, =0x53000000

ldr r1, =0

str r1, [r0]

/* 2.设置时钟 */

/* 2.1 设置LOCKTIME(0x4C000000)=0xFFFFFFFF */

ldr r0, =0x4C000000

ldr r1, =0xFFFFFFFF

str r1, [r0]

/* 2.2 设置CLKDIVN(0x4C000014) = 0x5 FCLK : HCLK : PCLK = 400m : 100m : 50m*/

ldr r0, =0x4C000014

ldr r1, =0x5

str r1, [r0]

/* 2.3 设置CPU处于异步模式 */

mrc p15,0,r0,c1,c0,0

orr r0,r0,#0xc0000000 /* #R1_nF:OR:R1_iA */

mcr p15,0,r0,c1,c0,0

/* 2.4 设置MPLLCON(0x4C000004)=(92<<12) | (1 << 4) | (1 << 0)

* m = MDIV + 8 = 100

* p = PDIV + 2 = 3

* s = SDIV = 1

* Mpll = (2 * m * Fin) / (p * 2 ^ s)= (2 * 100 * 12) / (3 * 2 ^ 1) = 400MHZ

*/

ldr r0, =0x4C000004

ldr r1, =(92<<12) | (1 << 4) | (1 << 0)

str r1, [r0]

/* 一旦设置PLL, 就会锁定lock time直到PLL输出稳定

* 然后CPU工作于新的频率FCLK

*/

/* 3.设置栈

* 自动分辨NOR启动或者NAND启动

* 向0地址写入0，在