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[编译链接]单片机分散加载机制、地址无关编译的分析

发布于 2020-07-03 11:53:53

一、前言

前段时间写了一篇博文简单的说明了地址无关编译中的ropi和rwpi技术，简单的用一个我目前正在使用的os进行说明（基于rt-thread），部分细节没有讲清楚，因此用此篇文章来进一步介绍地址无关编译，争取能够分析透彻。

个人比较喜欢技术分享，认为技术不应该有壁垒，应该是开放的、互相进步的。本来计划6月份参与rt-thread的一个测评计划的，但由于自身一些不可描述的原因只能放弃了，所以拿出这篇文章（这篇文章之前在论坛中也出现过，当时只是一个链接，最近rt论坛推出了文章功能，所以顺便来尝尝鲜）。

由于单篇篇幅限制10000字符，所以无奈本篇中简要列举一下完整的文章结构以及部分简要摘录。

一、前言
二、单片机的分散加载机制
- 1.分散加载
  - a. 首先，先生成一个.S文件，即反汇编
  - b.介绍一下上电执行过程
  - c.分散加载过程
- 2.分散加载机制总结
三、地址无关编译
- 1.ropi介绍
  - a.const data的处理
  - b.data initializers的处理
  - c.函数的调用
- 2.rwpi介绍
  - a.rw数据的处理
  - b.zi数据的处理
- 3.为什么使用地址无关编译之后，无法使用const的函数指针数组
- 4."治标不治本"的解决方法
四、总结
五、不使用地址无关编译时的分散加载分析（示例代码）

二、分散加载

本次仍旧以单片机为例，因为单片机我比较熟悉，再加上单片机比较低端（相比FPGA、DSP、Intel等CPU，确实比较简单）。实际上是因为我只会单片机，菜鸟本菜实锤。
以下我以基于ARM Cortex-M4架构的一款国产单片机作为分析对象（大家可以类比到stm32f407，工作原因，再具体的不方便透露）。

分散加载实际上规定了单片机（或者机器，后面不再赘述）在正式上电执行前后，如何准备好运行时的环境，这个环境指主要指的是变量地址如何分配。
可能说变量地址如何分配不太恰当，但是我实在是找不到一个名词来描述这个场景：从flash或者说是rom中把变量搬移到ram空间。

之所以说“搬移”，是基于以下几点考虑：

ram是易失性的存储介质，掉电数据就会丢失，而单片机的运行环境又是随时都都会掉电的（好比stm32下程序到sram中，下载调试快速，一掉电就凉凉），因此必须先把这些数据在flash或者rom中存一份，每次上电从rom中复制一份出来，我习惯把这种复制称为“搬移”；
并且这种“搬移”不是无脑的“复制”，针对数据的不同特性（如赋初始值的、无需赋初始值的、赋初始值但初始值为0，等等），这个“复制方式”是不同的，即有的是复制、有的是解压缩、有的是赋0初始化，等等。所以我觉得叫“搬移”比较且当。

以下尽可能详细的介绍一下这种“搬移过程”。另外说明一下，我不太喜欢贴图片，所以我之后大部分会以代码的形式来展示示例。

1. 首先，先生成一个.S文件，即反汇编

以下都是以KEIL为例！

使用KEIL自带的fromelf.exe工具（这个工具位于KEIL的安装目录下，例如：D:\MDK-ARM V5.25\Keil_v5\ARM\ARM\ARMCC\bin和D:\MDK-ARM V5.25\Keil_v5\ARM\ARM\ARMCLANG\bin，这两个为两个不同的编译链下的工具，对于Cortex-M来说，二者没有区别，详细大家可以百度：“armcc和armclang的区别。”）。
然后在KEIL的IDE中编译链接生成一个.axf文件。
使用命令：fromelf -c !L --output @L.S来生成.S文件（注意，在生成.axf文件时候把调试信息勾选上，这样生成的.S文件比较容易阅读，具体方法如下图所示）。关于为什么要勾选Debug Infomation大家可以去学习以下axf文件的格式内容，关于fromelf文件的用法、格式大家可以去百度一下。

如果你完全按照我的这个操作流程，你会得到一个与.axf文件同名的.S文件。

2.介绍一下上电执行过程

裸机下的上电过程，裸机我就不单独摆程序了，这里只是简单叙述一下流程：

上电后会触发复位电路的复位机制（本质就是一个阻容，上电的伊始电容导通，触发了一段时间的低电平，随后电容充满电，维持高电平）
复位后，ARM内核的PC指针跳转到0x0000_0000执行。
根据ARM手册的规定，0x0000_0000顺序放栈指针、复位中断服务函数地址，等等。
设置了栈顶，取得了复位中断服务函数的地址，然后去执行（这个在启动文件中可以找到，一般以startup_xxx.s命名）。
进入复位中断服务函数，会执行__main()函数（这个不是我们见到的main()函数，这个是编译器内置函数，用于调用一些初始化操作函数，然后再调用我们的main函数，交回使用权）。
再__main()函数中，一般会有两个函数：__scatterload()和__rt_entry()，一个用于分散加载，一个用于系统库的初始化（如__rt_lib_init()，这个函数内实现了动态加载过程）。
然后由__rt_entry()调用main()函数，跳转到我们的c语言世界。
在KEIL中，还有一个骚操作：$Sub$$main和$Super$$main，这哥俩用于在main()函数之前调用一些操作，毕竟之前的那些操作都是编译器来处理，我们干预不了，只能干瞪眼（$Sub$$main和$Super$$main，这个在rt-thread的源码中有使用示例，这里不赘述）。
以上就完成了整个上电过程。

3.分散加载过程

!!!main
    __main
        0x000000c0:    f000f802    ....    BL       __scatterload ; 0xc8
        0x000000c4:    f000f883    ....    BL       __rt_entry ; 0x1ce
    !!!scatter
    __scatterload
    __scatterload_rt2
    __scatterload_rt2_thumb_only
        0x000000c8:    a00a        ..      ADR      r0,{pc}+0x2c ; 0xf4
        0x000000ca:    e8900c00    ....    LDM      r0,{r10,r11}
        0x000000ce:    4482        .D      ADD      r10,r10,r0
        0x000000d0:    4483        .D      ADD      r11,r11,r0
        0x000000d2:    f1aa0701    ....    SUB      r7,r10,#1
    __scatterload_null
        0x000000d6:    45da        .E      CMP      r10,r11
        0x000000d8:    d101        ..      BNE      0xde ; __scatterload_null + 8
        0x000000da:    f000f878    ..x.    BL       __rt_entry ; 0x1ce
        0x000000de:    f2af0e09    ....    ADR      lr,{pc}-7 ; 0xd7
        0x000000e2:    e8ba000f    ....    LDM      r10!,{r0-r3}
        0x000000e6:    f0130f01    ....    TST      r3,#1
        0x000000ea:    bf18        ..      IT       NE
        0x000000ec:    1afb        ..      SUBNE    r3,r7,r3
        0x000000ee:    f0430301    C...    ORR      r3,r3,#1
        0x000000f2:    4718        .G      BX       r3
    $d
        0x000000f4:    00037f6c    l...    DCD    229228
        0x000000f8:    00037f8c    ....    DCD    229260

;;中间的代码省略...

Region$$Table$$Base
        0x00038060:    00000055    U...    DCD    85
        0x00038064:    00000002    ....    DCD    2
        0x00038068:    00001b38    8...    DCD    6968
        0x0003806c:    00037f63    c...    DCD    229219
        0x00038070:    00000819    ....    DCD    2073
        0x00038074:    00001b3a    :...    DCD    6970
        0x00038078:    0000f5d0    ....    DCD    62928
        0x0003807c:    00037eeb    .~..    DCD    229099

上述代码直接为从__main()开始的过程，即跳转到__main()函数中，先执行__scatterload()函数，这里就是分散加载的过程（实际的过程可能比这个要繁琐些，繁琐在哪，后面会介绍到）。

以下是分析：

执行到__main()函数处（实际上在汇编世界里，这就是一个标号，函数和变量没有太大区别，无非都是再地址空间里的一些有特殊含义的二进制数据）。
跳转执行0x000000c0: f000f802 .... BL __scatterload ; 0xc8，大家只需要看到BL 0xc8就可以，其他的信息，都是些杂七杂八的信息（前面说了生成的.axf中要带有调试信息，所以这里会看到BL __scatterload ; 0xc8字样，__scatterload() 实际上就是从.axf文件中的符号表中提取出来的）。
然后执行__scatterload()函数（下面的代码和上一节的是一摸一样的）。

!!!main
    __main
        0x000000c0:    f000f802    ....    BL       __scatterload ; 0xc8
        0x000000c4:    f000f883    ....    BL       __rt_entry ; 0x1ce
    !!!scatter
    __scatterload
    __scatterload_rt2
    __scatterload_rt2_thumb_only
        0x000000c8:    a00a        ..      ADR      r0,{pc}+0x2c ; 0xf4
        0x000000ca:    e8900c00    ....    LDM      r0,{r10,r11}
        0x000000ce:    4482        .D      ADD      r10,r10,r0
        0x000000d0:    4483        .D      ADD      r11,r11,r0
        0x000000d2:    f1aa0701    ....    SUB      r7,r10,#1
    __scatterload_null
        0x000000d6:    45da        .E      CMP      r10,r11
        0x000000d8:    d101        ..      BNE      0xde ; __scatterload_null + 8
        0x000000da:    f000f878    ..x.    BL       __rt_entry ; 0x1ce
        0x000000de:    f2af0e09    ....    ADR      lr,{pc}-7 ; 0xd7
        0x000000e2:    e8ba000f    ....    LDM      r10!,{r0-r3}
        0x000000e6:    f0130f01    ....    TST      r3,#1
        0x000000ea:    bf18        ..      IT       NE
        0x000000ec:    1afb        ..      SUBNE    r3,r7,r3
        0x000000ee:    f0430301    C...    ORR      r3,r3,#1
        0x000000f2:    4718        .G      BX       r3
    $d
        0x000000f4:    00037f6c    l...    DCD    229228
        0x000000f8:    00037f8c    ....    DCD    229260

;;中间的代码省略...

Region$$Table$$Base
        0x00038060:    00000055    U...    DCD    85
        0x00038064:    00000002    ....    DCD    2
        0x00038068:    00001b38    8...    DCD    6968
        0x0003806c:    00037f63    c...    DCD    229219
        0x00038070:    00000819    ....    DCD    2073
        0x00038074:    00001b3a    :...    DCD    6970
        0x00038078:    0000f5d0    ....    DCD    62928
        0x0003807c:    00037eeb    .~..    DCD    229099

很清楚的看到0x000000c8到0x000000d2这块代码，实际上是获取了Region$$Table$$Base这个数据块的起始地址（r10是始地址，r11是末地址+1，r7是始地址-1。只不过用了重定位技术，在链接时才知道Region$$Table$$Base的地址，然后回来修改$d处的值，所以这块代码使用了相对地址偏移，简单来说就是编译的时候$d这里填充的0，链接时才知道了真正的值）。
然后顺序执行到__scatterload_null()处，__scatterload_nul()l本质是一个循环，反复的利用Region$$Table$$Base中的数据来执行。

篇幅有限，附链接
单片机分散加载机制、地址无关编译的分析

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