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ARM的位置無關程序設計

時間：2017-01-04作者：華清遠見

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。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，因而了解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。

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。

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。

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。　　

① 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：　　LDR PC, =main　　

上面的偽指令編譯后的結果為：　　LDR PC, [PC, OFFSET_TO_LPOOL]
?蟆　? LPOOL
DCD 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。　　

② 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_BASE EQU 0x40e00000;　GPIO基址寄存器地址
        GPDR0 EQU 0x00c; 相對于GPIO基址寄存器的偏移量
        init_GPDR0 EQU 0xfffbfe00; 寄存器GPDR0初值
        LDR R1, =GPIO_BASE　　
        LDR R0, =init_GPDR0
        STR R0, [R1, #GPDR0]

上述匯編代碼段經編譯后的結果為：

LDR R1, [PC, OFFSET_TO_GPIO_BASE]
        LDR R0, [PC, OFFSET_TO_init_GPDR0]
        STR R0, [R1, #0xc]??
        GPIO_BASE
        DCD 0x40e00000　
        GPDR0
        DCD 0x00c　
        init_GPDR0
        DCD 0xfffbfe00　　

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“LDR PC, =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“B main”，那么只會跳轉到啟動ROM內部的main函數入口。