ARM的位置無關程序設計在Bootloader中的應用

ARM處理器支持位置無關的程序設計，這種程序加載到存儲器的任意地址空間都可以正常運行，其設計方法在嵌入式應用系統開發中具有重要的作用。本文首先介紹位置無關代碼的基本概念和實現原理，然后闡述基于ARM匯編位置無關的程序設計方法和實現過程，最后以嵌入式Bootloader程序設計為例，介紹位置無關程序設計在Bootloader程序設計中的作用。

關鍵詞? ARM? 位置無關程序設計? Bootloader

引言

　　基于位置無關代碼PIC（Position?Independent Code）的程序設計在嵌入式應用系統開發中具有重要的作用，尤其在裸機狀態下開發Bootloader程序及進行內核初始化設計；利用位置無關的程序設計方法還可以在具體應用中用于構建高效率動態鏈接庫，因而深入理解和熟練掌握位置無關的程序設計方法，有助于開發人員設計出結構簡單、清晰的應用程序。本文首先介紹位置無關代碼的基本概念和實現原理，然后闡述基于ARM匯編位置無關的程序設計方法和實現過程，最后以Bootloader程序設計為例，介紹了位置無關程序設計在Bootloader程序設計中的作用。

1? 位置無關代碼及程序設計方法

1.1? 基本概念與實現原理

　　應用程序必須經過編譯、匯編和鏈接后才變成可執行文件，在鏈接時，要對所有目標文件進行重定位(relocation)，建立符號引用規則，同時為變量、函數等分配運行地址。當程序執行時，系統必須把代碼加載到鏈接時所指定的地址空間，以保證程序在執行過程中對變量、函數等符號的正確引用，使程序正常運行。在具有操作系統的系統中，重定位過程由操作系統自動完成。

　　在設計Bootloader程序時，必須在裸機環境中進行，這時Bootloader映像文件的運行地址必須由程序員設定。通常情況下，將Bootloader程序下載到ROM的0x0地址進行啟動，而在大多數應用系統中，為了快速啟動，首先將Bootloader程序拷貝到SDRAM中再運行。一般情況下，這兩者的地址并不相同，程序在SDRAM中的地址重定位過程必須由程序員完成。實際上，由于Bootloader是系統上電后要執行的第一段程序，Bootloader程序的拷貝和在這之前的所有工作都必須由其自身來完成，而這些指令都是在ROM中執行的。也就是說，這些代碼即使不在鏈接時所指定的運行時地址空間，也可以正確執行。這就是位置無關代碼，它是一段加載到任意地址空間都能正常執行的特殊代碼。

　　位置無關代碼常用于以下場合：

　　◆ ?程序在運行期間動態加載到內存；
　　◆? 程序在不同場合與不同程序組合后加載到內存(如共享的動態鏈接庫)；
　　◆? 在運行期間不同地址相互之間的映射（如Bootloader程序）。

　　雖然在用GCC編譯時，使用-fPIC選項可為C語言產生位置無關代碼，但這并不能修正程序設計中固有的位置相關性缺陷。特別是匯編語言代碼，必須由程序員遵循一定的程序設計準則，才能保證程序的位置無關性。

1.2? ARM處理器的位置無關程序設計要點

　　ARM程序的位置無關可執行文件PIE（PositionIndependent Executable）包括位置無關代碼PIC和位置無關數據PID（PositionIndependent Data）兩部分。

　　PID主要針對可讀寫數據段（.data段），其中保存已賦初值的全局變量。為實現其位置無關性，通常使用寄存器R9作為靜態基址寄存器，使其指向該可讀寫段的首地址，并使用相對于基址寄存器的偏移量來對該段的變量進行尋址。這種方法常用于為可重入程序的多個實例產生多個獨立的數據段。在程序設計中，一般不必考慮可讀寫段的位置無關性，這主要是因為可讀寫數據主要分配在SDRAM中。

　　PIC包括程序中的代碼和只讀數據（.text段），為保證程序能在ROM和SDRAM空間都能正確運行（如裸機狀態下的Bootloader程序），必須采用位置無關代碼程序設計。下面重點介紹PIC的程序設計要點。

　　PIC遵循只讀段位置無關ROPI（ReadOnly Position Independence）的ATPCS（ARMThumb Procedure Call Standard）的程序設計規范：

（1） ?程序設計規范1

　　引用同一ROPI段或相對位置固定的另一ROPI段中的符號時，必須是基于PC的符號引用，即使用相對于當前PC的偏移量來實現跳轉或進行常量訪問。

　?、? 位置無關的程序跳轉。在ARM匯編程序中，使用相對跳轉指令B/BL實現程序跳轉。指令中所跳轉的目標地址用基于當前PC的偏移量來表示，與鏈接時分配給地址標號的絕對地址值無關，因而代碼可以在任何位置進行跳轉，實現位置無關性。

　　另外，還可使用ADR或ADRL偽指令將地址標號值讀取到PC中實現程序跳轉。這是因為ADR或ADRL等偽指令會被編譯器替換為對基于PC的地址值進行操作，但這種方式所能讀取的地址范圍較小，并且會因地址值是否為字對齊而異。　　但在ARM程序中，使用LDR等指令直接將地址標號值讀取到PC中實現程序跳轉不是位置無關的。例如：

　　LDRPC, =main

　　上面的LDR匯編偽指令編譯后的結果為：

　　LDRPC, [PC, OFFSET_TO_LPOOL]?
　　LPOOLDCD main

　　可見，雖然LDR是把基于PC的一個存儲單元LPOOL的內容加載到PC中，但該存儲單元中保存的卻是鏈接時所決定的main函數入口的絕對地址，所以main函數實際所在的段不是位置無關。

　?、??位置無關的常量訪問。在應用程序中，經常要讀寫相關寄存器以完成必要的硬件初始化。為增強程序的可讀性，利用EQU偽指令對一些常量進行賦值，但在訪問過程中，必須實現位置無關性。下面以PXA270的GPIO初始化介紹位置無關的常量訪問方法。

　　GPIO_BASEEQU0x40e00000;
　　GPIO基址寄存器地址GPDR0EQU0x00c;相對于GPIO基址寄存器的偏移量
　　init_GPDR0EQU0xfffbfe00;寄存器GPDR0初值
　　LDRR1, =GPIO_BASE
　　LDRR0, =init_GPDR0
　　STRR0, [R1, #GPDR0]

　　上述匯編代碼段經編譯后的結果為：

　　LDRR1, [PC, OFFSET_TO_GPIO_BASE]
　　LDRR0, [PC, OFFSET_TO_init_GPDR0]
　　STRR0, [R1, #0xc]?
　　GPIO_BASEDCD0x40e00000
　　GPDR0DCD0x00c
　　init_GPDR0DCD0xfffbfe00

　　可見，LDR偽指令實際上使用基于PC的偏移量來對符號常量GPIO_BASE和init_GPDR0進行引用，因而是位置無關的。由此可以得出如下結論：使用LDR偽指令將一個常量讀取到非PC的其他通用寄存器中可實現位置無關的常量訪問；但將一個地址值讀取到PC中進行程序跳轉時，跳轉目標則是位置相關的。

（2）??程序設計規范2

　　其他被ROPI段中的代碼引用的必須是絕對地址，或者是基于可讀寫位置無關(RWPI)段的靜態基址寄存器的可寫數據。

　　使用絕對地址只能引用被重定位到特定位置的代碼段中的符號，通過在位置無關代碼中引入絕對地址，可以讓程序跳轉到指定位置。例如，假設Bootloader的階段1將其自身代碼拷貝到鏈接時所指定的SDRAM地址空間后，當要跳轉到階段2的C程序入口時，可以使用指令“LDRPC, =main”跳轉到程序在SDRAM中的main函數入口地址開始執行。這是因為程序在編譯鏈接時給main函數分派絕對地址，系統通過將main函數的絕對地址直接賦給PC實現程序跳轉。如果使用相對跳轉指令“Bmain”，那么只會跳轉到啟動ROM內部的main函數入口。

2? 位置無關代碼在Bootloader設計中的應用

　　在使用GNU工具開發Bootloader時，程序在鏈接時會通過一個鏈接腳本（linker script）來設定映像文件的內存映射。一個簡單的鏈接腳本結構如下：

　　OUTPUT_ARCH(arm)
　　ENTRY(_start)
　　SECTIONS {
　　　　. = BOOTADDR;/*Bootloader的起始地址*/
　　　　__boot_start = .;
　　　　.textALIGN(4): {/*代碼段.text*/
　　　　　　*(.text)
　　　　}
　　　　.dataALIGN(4): {/*數據段.data*/
　　　　　　*(.data)
　　　　}
　　　　.gotALIGN(4): {/*全局偏移量表.got段*/
　　　　　　*(.got)
　　　　}
　　　　__boot_end = .;/*Bootloader映像文件的結束地址*/
　　　　.bssALIGN(16): {/*堆棧段.bss*/
　　　　　　__bss_start = .;
　　　　　　*(.bss)
　　　　__bss_end =.;
　　　　}
　　}

　　這里不再介紹鏈接腳本的語法。需要指出的是，鏈接腳本中所描述的輸出段地址為虛擬地址VMA（Virtual Memory Address）。這里的“虛擬地址”僅指映像文件執行時，各輸出段所重定位到相應的存儲地址空間，與內存管理無關。因此，上面的鏈接腳本實際上指定了Bootloader映像在執行時，將被重定位到BOOTADDR開始的存儲地址空間，以保證在相關位置對符號進行正確引用，使程序正常運行。

　　ARM處理器復位后總是從0x0地址取第1條指令，因此只需把BOOTADDR設置為0，再把編譯后生成的可執行二進制文件下載到ROM的0x0地址開始的存儲空間，程序便可正常引導；但是，一旦在鏈接時指定映像文件從0x0地址開始，那么Bootloader就只能在0x0地址開始的ROM空間內運行，而無法拷貝到SDRAM空間運行實現快速引導。當然，對PXA270等具有MMU功能的微處理器來說，雖然可以先將Bootloader映像整個拷貝到SDRAM中，再使用MMU功能將SDRAM空間映射到0x0地址，進而繼續在SDRAM中運行；但這樣一方面會使得Bootloader的設計與實現復雜化，另一方面在一些必須屏蔽MMU功能的應用中（例如引導armlinux系統），無法使用MMU進行地址重映射。

　　利用ARM的基于位置無關的程序設計可以解決上述問題。只需在程序鏈接時，將BOOTADDR設置為SDRAM空間的地址（一般情況下利用SDRAM中最高的1 MB存儲空間作為起始地址），這樣ARM處理器上電復位后Bootloader仍然可以從地址0開始執行，并將自身拷貝到指定的__boot_start起始的SDRAM中運行。實現上述功能的鏈接腳本所對應的啟動代碼架構如下：

　　.section .text
　　.globl _start
　　_start:
　　Breset/*復位異常*/
　　/*其他異常處理代碼*/
　　reset:
　　/*復位處理程序*/
　　copy_boot:/*拷貝Bootloader到SDRAM*/
　　LDRR0, =0x0LDRR1, =__boot_start
　　LDRR2, =__boot_end
　　1:LDRMIA R0!, { R3-R10 }
　　STRMIA R1!, { R3-R10 }
　　CMPR1, R2
　　BLT1b
　　clear_bss:
　　/*清零.bss段*/
　　BL
　　init_Stack/*初始化堆棧*/
　　LDRPC, = main/*跳轉到階段2的C程序入口*/
　　.end

　　程序入口為_start，即復位異常，所有其他異常向量都使用相對跳轉指令B來實現，以保證位置無關特性。在完成基本的硬件初始化后，利用鏈接腳本傳遞過來__boot_start和__boot_end的參數，將Bootloader映像整個拷貝到指定的SDRAM空間，并清零.bss段，初始化堆棧后，程序將main函數入口的絕對地址賦給PC，進而跳轉到SDRAM中繼續運行。程序在跳轉到main函數之前，所有的代碼都在ROM中運行，因而必須要保證代碼的位置無關性，所以在調用初始化GPIO、存儲系統和堆棧等子程序時，都使用相對跳轉指令來完成。

　　使用位置無關設計Bootloader程序有如下優點：

　?、? 簡化設計，方便實現系統的快速引導。位置無關代碼可以避免在引導時進行地址映射，并方便地跳轉到SDRAM中實現快速引導。
　?、? 實現復位處理智能化。由于位置無關代碼可以被加載到任意地址空間運行，因此其運行時的當前地址與鏈接時所指派的地址并不一定相同。利用這一特性，可以在復位處理程序中使處理器進入SVC模式并關閉中斷后加入如下代碼，便可根據當前運行時的地址進行不同的復位處理：

　　ADRR0, _start/*讀取當前PC附近的_start標號所在指令地址*/
　　LDRR1,=__boot_start/*讀取Bootloader在SDRAM的起始地址*/
　　CMPR0,R1
　　BEQclear_bss

　　上述代碼中的ADR指令讀取的_start標號地址由指令的執行地址決定。若是從SDRAM中的Bootloader啟動，則上述比較結果相等，程序直接跳轉到clear_bss標號地址處執行，這樣可以避免存儲系統的重新初始化和Bootloader的拷貝過程；若是上電或硬件復位，程序從ROM啟動，則上述比較結果不等，程序便進行包括系統初始化和Bootloader拷貝等過程的全面復位處理操作。

　　③? 便于調試。Bootloader的調試通常也是一個繁瑣的過程，使用位置無關代碼，則可以將映像文件加載到SDRAM中進行調試，這既能真實地反映程序從ROM中進行系統引導的情況，又可以避免頻繁燒寫程序存儲器。

3? 結論

　　本文所介紹的基于位置無關的程序設計是通過基于PC或基址寄存器的符號引用規范來實現的。這種方法在實際系統開發中應用廣泛，既能用于引導程序的設計，也可用于一般的應用程序或嵌入式共享庫的開發。而在Bootloader的設計中引入位置無關代碼，可以使程序結構更為簡單清晰，并能避免地址重映射并從SDRAM進行快速系統引導；引用位置無關的設計方法使Bootloader的復位處理功能更為靈活，還使得在SDRAM中和在ROM中進行程序調試具有相同的效果。