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因为imx6ull性能较强，BootRom可以自己完成重定位这一步，所以在imx6ull上理解比较不容易，本文仅用快速查阅。

官方参考链接：http://ftp.gnu.org/old-gnu/Manuals/ld-2.9.1/html_mono/ld.html

在此之前为了方便理解，我们先对程序运行过程做一个简要阐述，记住一个关键点

链接地址：Link Address是指编译器指定代码和数据所需要放置的内存地址，由链接器配置（但是注意链接地址是一个期望运行地址，程序并不一定从这里运行）
加载地址：Load Address是指程序被实际加载到内存的位置

一、概念理解

1.1 段的概念

段是程序的组成元素。将整个程序分成一个一个段，并且给每个段起一个名字，然后在链接时就可以用这个名字来指示这些段，使得这些段排布在合适的位置。

程序分为以下几个段，在程序上电执行start.S时，程序会根据我们启动文件（start.s）中设置的代码段对代码的存放位置进行分配。

针对imx6ULL这款MCU，其各段的概念如下

段名	名称	存放的指令	是否需要重定位
代码段	.text	存放代码本身，不会被修改	不在链接地址上就需要重定位
只读数据段/存放常量数据	.rodata	只读变量，一些常量字符串放在这里。可以放在ROM上，不需要复制到内存	不在链接地址上就需要重定位
数据段	data	有初值的，且非const属性的全局变量、static静态局部变量，需要从ROM复制到内存	如果不在链接地址上，就需要重定位
零初始化段	.bss/ZI	初始值为0的全局变量或静态变量，没必要放在ROM上，使用前清零。未初始化的全局变量或静态变量，没必要放在ROM上，使用之前清零就可以	不需要重定位，因为程序里面不保存bss段
注释段	.comment	存放注释
局部变量	保存在栈中，运行时生成
堆	一块空闲空间，使用malloc函数来管理它，malloc函数可以自己写

1.2 重定位概念（加载地址与链接地址）

1.2.1 什么是重定位

保存在ROM上的全局变量的值，在使用前要复制到内存，这就是数据段重定位。

想把代码移动到其他位置，这就是代码重定位。

1.2.2 配合下图理解代码重定位

在Makefile中我们设置了加载地址

在imx6ull.lds中我们设置了链接地址

1.2.3 谁来做重定位

程序本身：它把自己复制到链接地址去

一开始，程序可能并不位于它的链接地址上，为什么它可以执行重定位的操作？

因为重定位的代码是使用“位置无关码”写的

什么叫位置无关码：这段代码扔在任何位置都可以运行，跟它所在的位置无关

怎么写出位置无关码：

跳转：使用相对跳转指令，不能使用绝对跳转指令

查阅文章：详解汇编语言B和LDR指令与相对跳转和绝对跳转的关系
只能使用branch指令(比如bl main)，不能给PC直接复制，比如ldr pc, =main

不要访问全局变量、静态变量
不使用字符串

1.2.4 重定位的实质：移动数据

把代码段、只读数据段、数据段，移动到它的链接地址处。

也就是复制！

数据复制的三要素：源、目的、长度。

数据保存在哪里？加载地址
数据要复制到哪里？链接地址
长度

这3要素怎么得到？

在GCC中，使用链接脚本来描述。

在keil中，跟链接脚本对应的是散列文件，散列的意思就是"分散排列"，在STM32F103这类资源紧缺的单片机芯片中：

代码段保存在Flash上，直接在Flash上运行(当然也可以重定位到内存里)
数据段保存在Flash上，使用前被复制到内存里

但是，在资源丰富的MPU板子上：

内存很大，几十M、几百M，甚至几G
可能没有XIP设备(XIP: eXecute In Place，原地执行)

没有类似STM32F103上的Flash，代码无法在存储芯片上直接运行

基于这些特点，在MPU板子上

代码段、数据段、BSS段等等，运行时没有必要分开存放
重定位时，把整个程序(包括代码段、数据段等)，一起复制到它的链接地址去

1.3 对于imx/img文件的理解

1.4 重温IMX6ULL的启动流程

02 IMX6ULL裸机开发：IMX6ULL启动流程解析

1.5 链接地址与加载地址的区别

程序运行时，应该位于它的链接地址处，因为：

使用函数地址时用的是"函数的链接地址"，所以代码段应该位于链接地址处
去访问全局变量、静态变量时，用的是"变量的链接地址"，所以数据段应该位于链接地址处

但是：程序一开始时可能并没有位于它的"链接地址"：

比如对于STM32F103，程序被烧录器烧写在Flash上，这个地址称为"加载地址"
比如对于IMX6ULL/STM32MP157，片内ROM根据头部信息把程序读入内存，这个地址称为“加载地址”

当加载地址！= 链接地址时，就需要重定位。

二、链接脚本使用与分析

作用：使用链接脚本来获得各个段的信息

2.1 链接脚本示例

SECTIONS {
    . = 0xC0200000;       /* 对于STM32MP157设置链接地址为0xC0200000, 对于IMX6ULL设为0x80200000 */

    . = ALIGN(4);
    .text      :
    {
      *(.text)
    }

    . = ALIGN(4);
    .rodata : { *(.rodata) }

    . = ALIGN(4);
    .data : { *(.data) }

    . = ALIGN(4);
    __bss_start = .;
    .bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
    __bss_end = .;
}

2.2 链接脚本语法

一个链接脚本由一个SECTION组成

一个SECTION里面，还有一个或多个section

SECTIONS {
...
secname start BLOCK(align) (NOLOAD) : AT ( ldadr )
  { contents } >region :phdr =fill
...
  }

section是链接脚本的核心，它的语法如下：

secname start BLOCK(align) (NOLOAD) : AT ( ldadr )
  { contents } >region :phdr =fill

2.3 举例

实际上不需要那么复制，不需要把语法里各项都写完。

2.3.1 示例1

SECTIONS { 
  .text : { *(.text) }            /* secname为".text"，里面是所有文件的".text"段 */ 
  .data : { *(.data) }            /* secname为".data"，里面是所有文件的".data"段 */
  .bss :  { *(.bss)  *(.COMMON) } /* secname为".bss"，里面是所有文件的".bss"段和".COMMON"段 */
} 

2.3.2 示例2

SECTIONS {
  outputa 0x10000 :     /* secname为"outputa"，链接地址为0x10000 */ 
    {
    first.o                 /* 把first.o整个文件放在前面 */
    second.o (.text)        /* 接下来是second.o的".text"段 */
    }
  outputb :             /* secname为"outputb"，链接地址紧随outputa */ 
    {
    second.o (.data)        /* second.o的".data"段 */
    }
  outputc :             /* secname为"outputc"，链接地址紧随outputb */  
    {
    *(.bss)                 /* 所有文件的".bss"段 */
    *(.COMMON)              /* 所有文件的".COMMON"段 */
    }
}

2.3.3 示例3

SECTIONS { 
  .text 0x10000 : AT (0)       /* secname为".text"，链接地址是0x10000，加载地址是0 */ 
  { *(.text) }  
  .data 0x20000 : AT (0x1000)  /* secname为".data"，链接地址是0x20000，加载地址是0x1000 */
  { *(.data) } 
  .bss :                       /* secname为".bss"，链接地址紧随.data段，加载地址紧随.data段 */
  { *(.bss)  *(.COMMON) } 
} 

2.4 使用链接脚本获取各个段的信息

数据复制3要素：源、目的、长度。

怎么知道某个段的加载地址、链接地址、长度？

2.4.1 确定源

可以用ADR伪指令获得当前代码的地址，对于这样的代码：

.text
.global  _start
_start: 
    ......
    adr r0, _start

adr是伪指令，它最终要转换为真实的指令。它怎么获得_start代码的当前所处地址呢？

实际上，adr r0, _start指令的本质是r0 = pc - offset，offset是在链接时就确定了。

2.4.2 确定目的地址

也就是怎么确定链接地址？可以用LDR伪指令。对于这样的代码：

.text
.global  _start
_start: 
    ......
    ldr r0, =_start

ldr是伪指令，它最终要转换为真实的指令。它怎么获得_start的链接地址呢？

_start的链接地址在链接时，由链接脚本确定。

2.4.3 获取更详细的信息

在链接脚本里可以定义各类符号，在代码里读取这些符号的值。

比如对于下面的链接脚本，可以使用__bss_start、__bss_end得到BSS段的起始、结束地址：

    __bss_start = .;
    .bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
    __bss_end = .;

上述代码里，有一个"."，它被称为"Location Counter"，表示当前地址：可读可写。它表示的是链接地址。

. = 0xABC;       /* 设置当前地址为0xABC */ 
_abc_addr = . ;  /* 设置_abc_addr等于当前地址 */
. = . + 0x100;   /* 当前地址增加0x100 */
. = ALIGN(4);    /* 当前地址向4对齐 */

注意："Location Counter"只能增大，不能较小。

三、位置无关码

发现，在重定位函数copy_data执行之前，已经涉及到了片内RAM上的地址，但此时片内RAM上并没有任何程序，那为什么程序还能正常运行呢？

打开反汇编文件：relocate.dis

07 00900000 <_start>:

08 900000: e59fd00c ldr sp, [pc, #12] ; 900014 <halt+0x4>

09 900004: fa00016f blx 9005c8 <copy_data>

10 900008: fb000180 blx 900612 <clean_bss>

11 90000c: e59ff004 ldr pc, [pc, #4] ; 900018 <halt+0x8>

13 00900010 <halt>:

14 900010: eafffffe b 900010 <halt>

15 900014: 80200000 eorhi r0, r0, r0

16 900018: 009001b3 ; <UNDEFINED> instruction: 0x009001b3

……

009001b2 <main>:

dis文件中左边的90000xx是链接地址，表示程序运行“应该位于这里”。但是实际上，我们一上电，boot ROM把程序放到0x80100000去了。所以一开始运行这些指令时，它们是位于DDR里的。

第9行的blx命令，并不是跳到0x9005c8。这要根据当前的PC值来计算，在dis里写成9005c8，这只是表示“如果程序从0x900000开始运行的话，第9行就会跳到0x9005c8”。现在程序被boot ROM复制到0x80100000，从0x80100000开始运行，我们需要根据机器码来计算出实际跳转的地址。

blx是相对跳转指令，要跳到“pc + offset”这个地址去。程序从0x8010000运行，运行到第9行时，如下计算新地址：

PC=当前地址+8=0x8010004+8=0x801000C

offset=机器码“fa00016f”里的bit[23:0]*4=0x16f*4=0x5BC

新PC=PC + offset = 0x80105C8

在0x80105C8这个位置，确实存有copy_data函数，所以：即使程序并不在链接地址0x900000上，它也可以运行。因为blx是相对跳转指令，它用的不是链接地址，它是“位置无关”的。使用“位置无关码”写出的代码，它可以在任何位置上运行，不一定要在“链接地址”上运行。

3.1 上电后程序的执行

程序被boot ROM重定位到0x80100000，并从这个地址开始执行第一条指令:

此时pc = 0x80100000 + 8 = 0x80100008。

执行到第2条指令“fa00016f”时，根据上述算法，它跳到地址0x80105C8去执行copy_data函数
在执行完copy_data和clean_bss函数后，片内RAM 0x900000上已经有程序了。
执行绝对跳转命令“ldr pc, =main”，它是一条伪指令，真实指令是“ldr pc, [pc, #4] ; 900018 <halt+0x8>”：

从dis文件里很容易看出，执行完这条指令后，pc等于dis文件中“900018”上的值“009001b3”，所以程序跳到片内RAM去执行main函数了。

注意：在dis文件中，main函数的链接地址是0x009001b2，往pc寄存器里赋值0x009001b3时，bit0为1，表示main函数的代码是用Thumb指令写的。

那么我们应该如何写位置无关码呢？

答：使用相对跳转命令 b或bl，并注意

重定位之前，不可使用绝对地址

不可访问全局类变量（全局变量或static修饰的局部变量）
不可访问有初始值的数组（初始值放在rodata里，需要绝对地址来访问）

重定位之后，使用ldr pc = xxx，跳转到绝对地址（runtime address）

注意

函数指针在被赋值的时候，使用的函数的链接地址，所以没有重复定位的时候，对于程序无法运行（程序的运行与否由链接地址和加载地址之间的关系决定的）

创建时间：	2022/1/17 17:09
更新时间：	2022/2/22 18:19
作者：	gi51wa2j
标签：	100ask_IMX6ULL_v11, bingo, 正文

12 IMX6ULL裸机开发：代码重定位