面试真题 | uboot 与 代码重定位

1、为什么需要重定位？

大部分的程序是不需要重定位的，但是有时候需要。

最常见的例子就是我们的UBOOT，因为我们的UBOOT有200多KB，但是我们开始BL0的地方只有96KB。

所以我们需要在96KB之前进行重定位，使开发板能够进行重定位。如果代码不是位置无关码，代码必须放在链接地址开始的地方，程序才可以正常运行，否则的话当PC去访问、执行某个变量名、函数名对应地址上的代码时就会找不到，接着程序无疑就是跑飞。

2、什么是重定位？

• 重定位：把代码搬移到你想要的地址，本来程序是运行在运行地址处的，你可以通过重定位搬移到链接地址处。

• 链接地址： 编译器对代码中的变量名、函数名等东西进行一个地址的编排，赋予这些抽象的东西一个地址，然后在程序中访问这些变量名、函数名就是在访问一些地址，这些地址我们称之为编译地址。

• 运行地址：是指程序指令真正运行的地址，是由用户指定的，用户将运行地址烧录到哪里，也就是PC当前执行指令所在的实际地址，就是运行的地址。也就是真实在程序中运行的地址。

3、重定位的基础知识

(1)大部分指令是位置有关编码。

• 位置无关码（PIC, position independent code）：

汇编源文件被编码成二进制可执行程序后与位置无关。有些特别的指令，可以跟地址没有关系。也就是说这些代码实际运行时，不管放在哪里都能正常运行。

• 位置有关码：

汇编编码成二进制可执行程序后和内存地址是有关的。

PS： 我们在设计一个程序时，会给这个程序指定一个运行地址。就是说我们在写程序时，其实我们是知道我们程序将来被运行的地址的。 必须给编译器和链接器指定这个地址才行，最后得到二进制程序。 理论上和你指定的运行地址是有关的，这就叫做位置有关代码。

(2) 对于位置有关码来说：最终执行时的运行地址和编译链接时给定的链接地址必须相同，否则一定会出错。

如果编译时 使用-Ttext 0x0来指定链接地址是0x0，这意味着我们认为这个程序将来会放在这个内存地址中运行。但是实际上我们运行的地址是下载在开发板的地址0xd0020010。因为是位置无关码，所以运行程序来是没有什么问题的。而且我们开发板对这些程序进行了映射，所以说这是一个偶然的情况。

(3)我们再来分析一下S5PV210的启动过程。

官方建议的启动过程（假定你的Bootloader为80KB）

• 开机启动，执行BL0，BL0会加载外部启动设备中的bootloader的前16KB到SRAM，

​

（BL0是厂家事先固化好的程序）就是BootRom

• 校验BL1，运行BL1

• BL1在运行时，初始化外部DDR，加载剩余的64kb代码到 BL2中 （ 64 = 80 - 16)

• 运行BL2，初始化DDR，并且将OS搬运到DDR

• 执行OS，启动完成。

UBOOT实际上的启动的方法：

（由于 BL2 的空间也太小了，使用起来非常有局限，所以uboot的设计者干脆在BL1以后，连同BL2与OS有关的直接放到DDR上运行了）

• 先开机上电，BL0运行，BL0会加载外部启动设备中的UBOOT的前16KB（BL1）到SRAM中去运行，

• BL1运行会初始化DDR。然后将整个UBOOT，搬运到我们的DDR中。

• 从SRAM中直接长跳转到DDR中继续执行我们的UBOOT。直到UBOOT完全启动。

• 长跳转的意思就是从SRAM中跳转到DDR中。UBOOT启动后在命令行中去执行OS。

4、从源码到可执行程序的步骤：预编译、编译，链接、[strip]

• 预编译： 比如C中的宏定义就是由预编译器处理的，注释等也是由预编译器处理的。

• 编译： 编译器来执行，把源码中的.c/.s文件转换为.o文件。

• 链接： 链接器来执行，把.o文件中的各种函数（段）按照一定的规则（即使不用用链接脚本指定，链接器也有默认的固定的顺序）链接到一起，形成可执行程序。

链接的本质是规则文件，它指明了一种行动的规则，它是我们程序员用来指挥链接器工作的一种语言。

链接器会参考链接脚本来处理我们.o文件哪些段，将其链接成一个可执行程序。

• strip: 把可执行程序中的符号信息给拿掉，以节省空间，一般可以节省3分之一的空间。这样就从 elf 文件 转换 为 bin 文件

5、链接脚本存在的意义

链接脚本用来指定编译时的一些选项，使得程序能够按照开发者的意志进行指定的排布，也为了在某些特定的场合满足需求。

1.代码段 (.text)

代码段（code segment/text segment）通常是指用来存放 程序执行代码 的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于 只读 , 某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序。在代码段中，也有可能包含一些 只读的常数变量 ，例如字符串常量等。程序段为程序代码在内存中的映射。一个程序可以在内存中多有个副本。

2.数据段(.data)

数据段就是C语言中有显示的初始化为非0的全局变量。数据段（data segment）通常是指用来存放程序中 已初始化 的 全局变量 的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。

3.BSS段(.bss) ，又叫做ZI段，零初始化段，

通常是指用来存放程序中未初始化或初始化为0的全局变量和静态变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。特点是可读写的，在程序执行之前BSS段会自动清0。bss段的存放是指为其预留空间（占位符）BSS段在可执行文件中时候不占磁盘空间，要运行的时候才分配空间并清0.

4.自定义段

由我们程序员自己定义，段的属性和特征也由我们自己定义。

在移植 uboot 时，接触到一个概念叫做 位置无关码，那么与它对应的就是位置有关码。提到这两个概念就还得提一提链接地址、加载地址。

链接地址，链接脚本里指定的，理论上程序运行时所处的地址。在编译时，编译器会根据链接地址来翻译位置有关码。

加载地址，程序运行时，实际所处的地址。

位置无关码，位置有关码，是相对于一条指令的正常目的来说的。比如 ldr r0 ,=标号，它的正常目的是取得标号处的地址，对于这个目的，它是位置有关码，运行的地址不对就获取不到正确的标号地址，其实它无论在哪都是获取的程序加载地址等于链接地址时，标号的地址，如果你就是想要这个值，那么用这条指令是非常正确的，就不用理会什么位置无关码，位置有关码的概念了，这一点非常重要。

因此，当加载地址不等于链接地址时，并不是不可以用位置无关码，而是要看你用位置无关码是否达到了你想要的目的。

位置无关码，依赖于程序当前运行的PC值，进行相对的跳转，导致的结果就是，无论代码在哪，总能达到指令的正常目的，因此是位置无关的。

位置有关码，不依赖当前PC值，是绝对跳转，只有程序运行在链接地址处时，才能达到指令的正常目的，因此是位置有关系的。

下面，我们来看常用的汇编指令以及C语言中哪些操作是位置有关码，哪些是位置无关码。

SECTIONS {  
   . = 0x33f80000;  
   .text : { *(.text) }  
     
   . = ALIGN(4);  
   .rodata : {*(.rodata*)}   
     
   . = ALIGN(4);  
   .data : { *(.data) }  
     
   . = ALIGN(4);  
   __bss_start = .;  
   .bss : { *(.bss)  *(COMMON) }  
   __bss_end = .;  
}  

.text  
.global _start  
_start:  
 
   bl close_watch_dog      /* 相对跳转，位置无关 */  
   bl _start  
   adr r0, close_watch_dog /* 获取标号地址，位置无关 */  
     
   ldr r0, SMRDATA         /* 获取标号处的值，位置无关 */  
 
   ldr r0, =0x12345678  
   ldr r0, =SMRDATA        /* 获取标号地址，位置有关 */  
   ldr r0, =main           /* 获取函数名的地址，位置有关 */  
   ldr r0 ,=__bss_start    /* 获取链接脚本里标号的地址，位置有关 */  
 
     
close_watch_dog:  
   mov r1, #0  
   str r1, [r0]  
   mov pc, lr  
     
SMRDATA:  
   .word  0x22111120 

int a;  
void abc(){  
    a = 2;  
}  
int main(){  
    int b;  
    a =1 ;  
    b =1 ;  
    abc();  
    return 0;  
}

如果加载地址为 0 ，那么代码将按照下面的顺序排放

00000000 <_start>:  
00000000:   eb000006    bl  33f80020 <close_watch_dog>  
00000004:   ebfffffd    bl  33f80000 <_start>  
00000008:   e28f0010    add r0, pc, #16  
0000000c:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ;   
00000010:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ;   
00000014:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ;   
00000018:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ;   
0000001c:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ;   
 
00000020 <close_watch_dog>:  
00000020:   e3a01000    mov r1, #0  
00000024:   e5801000    str r1, [r0]  
00000028:   e1a0f00e    mov pc, lr  
 
0000002c <SMRDATA>:  
0000002c:   22111120    andscs  r1, r1, #8  
00000030:   12345678    eorsne  r5, r4, #12