ARM的位置无关程序设计在Bootloader中的应用

技术分类: 嵌入式系统  | 2008-05-12
来源:单片机与嵌入式系统应用 黄振华

  ② 位置无关的常量访问。在应用程序中,经常要读写相关寄存器以完成必要的硬件初始化。为增强程序的可读性,利用EQU伪指令对一些常量进行赋值,但在访问过程中,必须实现位置无关性。下面以PXA270的GPIO初始化介绍位置无关的常量访问方法。

程序

  可见,LDR伪指令实际上使用基于PC的偏移量来对符号常量GPIO_BASE和init_GPDR0进行引用,因而是位置无关的。由此可以得出如下结论:使用LDR伪指令将一个常量读取到非PC的其他通用寄存器中可实现位置无关的常量访问;但将一个地址值读取到PC中进行程序跳转时,跳转目标则是位置相关的。

  (2) 程序设计规范2

  其他被ROPI段中的代码引用的必须是绝对地址,或者是基于可读写位置无关(RWPI)段的静态基址寄存器的可写数据。

  使用绝对地址只能引用被重定位到特定位置的代码段中的符号,通过在位置无关代码中引入绝对地址,可以让程序跳转到指定位置。例如,假设Bootloader的阶段1将其自身代码拷贝到链接时所指定的SDRAM地址空间后,当要跳转到阶段2的C程序入口时,可以使用指令“LDRPC, =main”跳转到程序在SDRAM中的main函数入口地址开始执行。这是因为程序在编译链接时给main函数分派绝对地址,系统通过将main函数的绝对地址直接赋给PC实现程序跳转。如果使用相对跳转指令“Bmain”,那么只会跳转到启动ROM内部的main函数入口。

  2 位置无关代码在Bootloader设计中的应用

  在使用GNU工具开发Bootloader时,程序在链接时会通过一个链接脚本(linker script)来设定映像文件的内存映射。一个简单的链接脚本结构如下:

程序

  这里不再介绍链接脚本的语法。需要指出的是,链接脚本中所描述的输出段地址为虚拟地址VMA(Virtual Memory Address)。这里的“虚拟地址”仅指映像文件执行时,各输出段所重定位到相应的存储地址空间,与内存管理无关。因此,上面的链接脚本实际上指定了Bootloader映像在执行时,将被重定位到BOOTADDR开始的存储地址空间,以保证在相关位置对符号进行正确引用,使程序正常运行。

  ARM处理器复位后总是从0x0地址取第1条指令,因此只需把BOOTADDR设置为0,再把编译后生成的可执行二进制文件下载到ROM的0x0地址开始的存储空间,程序便可正常引导;但是,一旦在链接时指定映像文件从0x0地址开始,那么Bootloader就只能在0x0地址开始的ROM空间内运行,而无法拷贝到SDRAM空间运行实现快速引导。当然,对PXA270等具有MMU功能的微处理器来说,虽然可以先将Bootloader映像整个拷贝到SDRAM中,再使用MMU功能将SDRAM空间映射到0x0地址,进而继续在SDRAM中运行;但这样一方面会使得Bootloader的设计与实现复杂化,另一方面在一些必须屏蔽MMU功能的应用中(例如引导armlinux系统),无法使用MMU进行地址重映射。

  利用ARM的基于位置无关的程序设计可以解决上述问题。只需在程序链接时,将BOOTADDR设置为SDRAM空间的地址(一般情况下利用SDRAM中最高的1 MB存储空间作为起始地址),这样ARM处理器上电复位后Bootloader仍然可以从地址0开始执行,并将自身拷贝到指定的__boot_start起始的SDRAM中运行。实现上述功能的链接脚本所对应的启动代码架构如下:

程序

  程序入口为_start,即复位异常,所有其他异常向量都使用相对跳转指令B来实现,以保证位置无关特性。在完成基本的硬件初始化后,利用链接脚本传递过来__boot_start和__boot_end的参数,将Bootloader映像整个拷贝到指定的SDRAM空间,并清零.bss段,初始化堆栈后,程序将main函数入口的绝对地址赋给PC,进而跳转到SDRAM中继续运行。程序在跳转到main函数之前,所有的代码都在ROM中运行,因而必须要保证代码的位置无关性,所以在调用初始化GPIO、存储系统和堆栈等子程序时,都使用相对跳转指令来完成。

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