ARM的位置無關(guān)程序設(shè)計(jì)

ARM處理器支持位置無關(guān)的程序設(shè)計(jì)，這種程序加載到存儲(chǔ)器的任意地址空間都可以正常運(yùn)行，其設(shè)計(jì)方法在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中具有重要的作用。尤其在裸機(jī)狀態(tài)下開發(fā)Bootloader程序及進(jìn)行內(nèi)核初始化設(shè)計(jì)；利用位置無關(guān)的程序設(shè)計(jì)方法還可以在具體應(yīng)用中用于構(gòu)建高效率動(dòng)態(tài)鏈接庫，因而了解位置無關(guān)的程序設(shè)計(jì)方法，有助于開發(fā)人員設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡單、清晰的應(yīng)用程序。

應(yīng)用程序必須經(jīng)過編譯、匯編和鏈接后才變成可執(zhí)行文件，在鏈接時(shí)，要對(duì)所有目標(biāo)文件進(jìn)行重定位(relocatiON)，建立符號(hào)引用規(guī)則，同時(shí)為變量、函數(shù)等分配運(yùn)行地址。當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)必須把代碼加載到鏈接時(shí)所指定的地址空間，以保證程序在執(zhí)行過程中對(duì)變量、函數(shù)等符號(hào)的正確引用，使程序正常運(yùn)行。在具有操作系統(tǒng)的系統(tǒng)中，重定位過程由操作系統(tǒng)自動(dòng)完成。

在設(shè)計(jì)Bootloader程序時(shí)，必須在裸機(jī)環(huán)境中進(jìn)行，這時(shí)Bootloader映像文件的運(yùn)行地址必須由程序員設(shè)定。通常情況下，將Bootloader程序下載到ROM的0x0地址進(jìn)行啟動(dòng)，而在大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中，為了快速啟動(dòng)，首先將Bootloader程序拷貝到SDRAM中再運(yùn)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(shí)際上，由于Bootloader是系統(tǒng)上電后要執(zhí)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(zhí)行的。也就是說，這些代碼即使不在鏈接時(shí)所指定的運(yùn)行時(shí)地址空間，也可以正確執(zhí)行。這就是位置無關(guān)代碼，它是一段加載到任意地址空間都能正常執(zhí)行的特殊代碼。

位置無關(guān)代碼常用于以下場合：

程序在運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)加載到內(nèi)存；

程序在不同場合與不同程序組合后加載到內(nèi)存(如共享的動(dòng)態(tài)鏈接庫)；

在運(yùn)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(shí)，使用-fPIC選項(xiàng)可為C語言產(chǎn)生位置無關(guān)代碼，但這并不能修正程序設(shè)計(jì)中固有的位置相關(guān)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則，才能保證程序的位置無關(guān)性。

ARM程序的位置無關(guān)可執(zhí)行文件PIE（PositionIndependent Executable）包括位置無關(guān)代碼PIC和位置無關(guān)數(shù)據(jù)PID（PositionIndependent Data）兩部分。

PID主要針對(duì)可讀寫數(shù)據(jù)段（.data段），其中保存已賦初值的全局變量。為實(shí)現(xiàn)其位置無關(guān)性，通常使用寄存器R9作為靜態(tài)基址寄存器，使其指向該可讀寫段的首地址，并使用相對(duì)于基址寄存器的偏移量來對(duì)該段的變量進(jìn)行尋址。這種方法常用于為可重入程序的多個(gè)實(shí)例產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)段。在程序設(shè)計(jì)中，一般不必考慮可讀寫段的位置無關(guān)性，這主要是因?yàn)榭勺x寫數(shù)據(jù)主要分配在SDRAM中。

PIC包括程序中的代碼和只讀數(shù)據(jù)（.text段），為保證程序能在ROM和SDRAM空間都能正確運(yùn)行（如裸機(jī)狀態(tài)下的Bootloader程序），必須采用位置無關(guān)代碼程序設(shè)計(jì)。

PIC遵循只讀段位置無關(guān)ROPI（ReadOnly Position Independence）的ATPCS（ARMThumb Procedure Call STandard）的程序設(shè)計(jì)規(guī)范：

（1） 程序設(shè)計(jì)規(guī)范1

引用同一ROPI段或相對(duì)位置固定的另一ROPI段中的符號(hào)時(shí)，必須是基于PC的符號(hào)引用，即使用相對(duì)于當(dāng)前PC的偏移量來實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)或進(jìn)行常量訪問。

① 位置無關(guān)的程序跳轉(zhuǎn)。在ARM匯編程序中，使用相對(duì)跳轉(zhuǎn)指令B/BL實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)。指令中所跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址用基于當(dāng)前PC的偏移量來表示，與鏈接時(shí)分配給地址標(biāo)號(hào)的絕對(duì)地址值無關(guān)，因而代碼可以在任何位置進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)位置無關(guān)性。

另外，還可使用ADR或ADRL偽指令將地址標(biāo)號(hào)值讀取到PC中實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)。這是因?yàn)锳DR或ADRL等偽指令會(huì)被編譯器替換為對(duì)基于PC的地址值進(jìn)行操作，但這種方式所能讀取的地址范圍較小，并且會(huì)因地址值是否為字對(duì)齊而異。

但在ARM程序中，使用LDR等指令直接將地址標(biāo)號(hào)值讀取到PC中實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)不是位置無關(guān)的。例如：　　LDR PC, =main

上面的偽指令編譯后的結(jié)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(gè)存儲(chǔ)單元LPOOL的內(nèi)容加載到PC中，但該存儲(chǔ)單元中保存的卻是鏈接時(shí)所決定的main函數(shù)入口的絕對(duì)地址，所以main函數(shù)實(shí)際所在的段不是位置無關(guān)。

② 位置無關(guān)的常量訪問。在應(yīng)用程序中，經(jīng)常要讀寫相關(guān)寄存器以完成必要的硬件初始化。為增強(qiáng)程序的可讀性，利用EQU偽指令對(duì)一些常量進(jìn)行賦值，但在訪問過程中，必須實(shí)現(xiàn)位置無關(guān)性。下面以PXA270的GPIO初始化介紹位置無關(guān)的常量訪問方法。

　　GPIO_BASE EQU 0x40e00000;　GPIO基址寄存器地址

　　GPDR0 EQU 0x00c; 相對(duì)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(jīng)編譯后的結(jié)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(shí)際上使用基于PC的偏移量來對(duì)符號(hào)常量GPIO_BASE和init_GPDR0進(jìn)行引用，因而是位置無關(guān)的。由此可以得出如下結(jié)論：使用LDR偽指令將一個(gè)常量讀取到非PC的其他通用寄存器中可實(shí)現(xiàn)位置無關(guān)的常量訪問；但將一個(gè)地址值讀取到PC中進(jìn)行程序跳轉(zhuǎn)時(shí)，跳轉(zhuǎn)目標(biāo)則是位置相關(guān)的。

（2） 程序設(shè)計(jì)規(guī)范2

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

使用絕對(duì)地址只能引用被重定位到特定位置的代碼段中的符號(hào)，通過在位置無關(guān)代碼中引入絕對(duì)地址，可以讓程序跳轉(zhuǎn)到指定位置。例如，假設(shè)Bootloader的階段1將其自身代碼拷貝到鏈接時(shí)所指定的SDRAM地址空間后，當(dāng)要跳轉(zhuǎn)到階段2的C程序入口時(shí)，可以使用指令“LDR PC, =main”跳轉(zhuǎn)到程序在SDRAM中的main函數(shù)入口地址開始執(zhí)行。這是因?yàn)槌绦蛟诰幾g鏈接時(shí)給main函數(shù)分派絕對(duì)地址，系統(tǒng)通過將main函數(shù)的絕對(duì)地址直接賦給PC實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)。如果使用相對(duì)跳轉(zhuǎn)指令“B main”，那么只會(huì)跳轉(zhuǎn)到啟動(dòng)ROM內(nèi)部的main函數(shù)入口。