[[409220]]

大家好，我是情報(bào)小哥!

本文為【單片機(jī)步入嵌入式Linux】系列文章的第二篇，主要是跟大家講解一下鏈接過(guò)程中幾個(gè)地址的區(qū)分與理解~

01單片機(jī)存儲(chǔ)分配

在玩單片機(jī)(以stm32為例)的時(shí)候會(huì)有RAM空間和ROM空間，RAM空間主要是用于數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，而ROM空間用于存放燒錄的固件，當(dāng)然固件也可以直接加載到RAM中運(yùn)行，只是說(shuō)每次上電都需要重新加載。

如上圖所示ROM為FLASH地址，而RAM為SRAM地址，毋庸置疑生成的單片機(jī)固件會(huì)燒錄到Flash上，這樣才能保證每次上電都有可以正常運(yùn)行。

對(duì)于很多初學(xué)者該有疑問(wèn)了，明明全局變量等等都是分配到RAM上的呀，怎么說(shuō)固件放到Flash上的呢?

其實(shí)并不矛盾，程序指令中訪問(wèn)變量都是訪問(wèn)變量的地址也就是內(nèi)存的地址，所謂的分配到RAM上，僅僅只是說(shuō)相應(yīng)的變量占據(jù)了對(duì)應(yīng)的RAM地址，并不能理解為這個(gè)變量存在于RAM里面。

可能你還會(huì)繼續(xù)問(wèn) : 暫且認(rèn)同上面的說(shuō)法，那對(duì)這些變量的初值該如何解釋呢?

可以肯定的是，這些全局變量的初值并不是來(lái)源于RAM，因?yàn)镽AM掉完電以后數(shù)據(jù)就丟失了，而在程序正常運(yùn)行過(guò)程中，不管怎么上下電其初值都是我們程序中規(guī)定的，也就是在編譯中確定的。

所以這些初值要保存只可能存在ROM中，這中間肯定有這樣一種機(jī)制 : 在上電以后把ROM中存儲(chǔ)的這些變量初值來(lái)重新初始化到對(duì)應(yīng)的RAM地址，以便后續(xù)程序指令訪問(wèn)，這種機(jī)制通常叫分散加載。

02簡(jiǎn)述分散加載

上圖是一種簡(jiǎn)單的分散加載機(jī)制，映像文件由不同的段組成，通常都有代碼段(.text)、已初始化數(shù)據(jù)段(.data)、未初始化及初始化為0的數(shù)據(jù)段(.bss)等等，而且他們具有不同的屬性RO，RW，ZI等等。

為了便于大家理解，整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)區(qū)分為ROM和SRAM，左邊Load View表示的是程序存儲(chǔ)地址空間分布情況，也就是程序燒錄到ROM以后的空間分配情況。

固件燒錄到ROM區(qū)域并且分為RW區(qū)和RO區(qū)，RW區(qū)域?yàn)榭勺x可寫(xiě)區(qū)域而RO區(qū)域?yàn)橹蛔x區(qū)，分這兩個(gè)區(qū)域并不是說(shuō)RW區(qū)域存儲(chǔ)地址區(qū)域以后就用來(lái)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，而是為了上電過(guò)程中的copy/decompress(復(fù)制或者解壓)過(guò)程做好標(biāo)記，這個(gè)過(guò)程會(huì)把一些非零全局變量(或者靜態(tài)變量等)的SRAM地址(實(shí)際的運(yùn)行地址)處賦予初始值。

ZI區(qū)域是零填充區(qū)域，主要是.bss段的一些初始化為0或者未初始化的全局或者靜態(tài)變量分布區(qū)域，這些數(shù)據(jù)沒(méi)有必要保存到固件中，所以由加載機(jī)制自行清零即可。

一切準(zhǔn)備就緒就形成了右側(cè)的execution View的運(yùn)行空間視野，由于ROM中程序運(yùn)行所涉及到的全局變量等的訪問(wèn)都是SRAM地址的訪問(wèn)，而這些地址恰好在程序編譯鏈接過(guò)程中已經(jīng)分配到SRAM里面，經(jīng)過(guò)前面的該部分地址的重新定位，運(yùn)行空間的程序就可以正確訪問(wèn)到這些變量的初值等等。

03stm32啟動(dòng)流程

很多剛玩MCU的朋友，都會(huì)以main函數(shù)作為程序的開(kāi)始運(yùn)行處，不過(guò)幾乎所有的C程序在執(zhí)行前都會(huì)使用匯編指令，通過(guò)匯編指令構(gòu)建C語(yǔ)言運(yùn)行環(huán)境，并運(yùn)行C程序，所以在C程序執(zhí)行前做了非常多的工作，其中非常重要的就是堆棧指針的設(shè)置，這也是從匯編到C運(yùn)行環(huán)境一定要做的一件事了。

那么stm32的啟動(dòng)大致流程是怎樣的?這里小哥就簡(jiǎn)述一下:

當(dāng)然還有一些小細(xì)節(jié)，這里就不展開(kāi)了，stm32的Flash可以直接運(yùn)行程序，采用分散加載，只需要把相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)域加載到運(yùn)行地址處便可以正常的訪問(wèn)，這個(gè)與前面的所說(shuō)是類(lèi)似的。

04uboot部署Linux

在進(jìn)行Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一切從Bootloader開(kāi)始，而bootloader本質(zhì)上就是一個(gè)單任務(wù)的裸機(jī)程序，和單片機(jī)程序是一樣的，而在眾多bootloader中最為常用和廣泛的就是uboot了，他就是為了部署Linux環(huán)境而生的，下載、燒錄、運(yùn)行Linux映像、文件系統(tǒng)等等。

uboot都可以搞定，所以它對(duì)地址是非常敏感的，程序、參數(shù)等等應(yīng)該存儲(chǔ)在什么地址，在什么地方運(yùn)行都是需要確定好的，而這些地址在編譯鏈接的過(guò)程中，鏈接腳本已經(jīng)確定好了這一切，uboot的工作就是把這些固件放在編譯鏈接所規(guī)定的運(yùn)行地址處進(jìn)行運(yùn)行即可。

圖片

比如全局變量在什么地址，函數(shù)在什么地址，當(dāng)程序運(yùn)行的過(guò)程中就會(huì)從這些確切的地址處取數(shù)據(jù)，如果你把全局函數(shù)指針變量的地址分配到了NANDFlash上，那么程序在訪問(wèn)的過(guò)程中就有可能跑飛。

程序運(yùn)行最重要的兩個(gè)地址加載地址和運(yùn)行地址。

加載地址也常被大家成為存儲(chǔ)地址，即實(shí)際固件存儲(chǔ)的位置，其實(shí)該地址也只是一個(gè)相對(duì)的概念，就相當(dāng)于單片機(jī)中bin文件燒錄在什么位置一樣的道理。

運(yùn)行地址也叫鏈接地址，即程序的絕對(duì)地址。全局變量等等都是以該地址為基礎(chǔ)，來(lái)確定程序的運(yùn)行狀態(tài)的各部分的地址布局。

當(dāng)然Linux以上各部分直接燒寫(xiě)到RAM也是也可以直接運(yùn)行的，不過(guò)還是那個(gè)問(wèn)題，一旦掉電則全部丟失，所以最終每個(gè)部分都會(huì)寫(xiě)入到Flash上(當(dāng)然在前期調(diào)試的時(shí)候可以直接下載到RAM中，減少對(duì)Flash的反復(fù)擦寫(xiě))，但對(duì)于大部分Flash都是無(wú)法直接運(yùn)行程序的，即使能夠運(yùn)行，比如Norflash也是非常的慢，且不能夠直接寫(xiě)入，所以Linux內(nèi)核等都會(huì)加載到RAM來(lái)運(yùn)行，以獲得更快的執(zhí)行速度，那么前面介紹的那種單片機(jī)方式只重定位數(shù)據(jù)段的方式不太適用了。

在嵌入式Linux平臺(tái)上，首先執(zhí)行的就是bootloader,而它只是一個(gè)順序執(zhí)行的程序，它有一個(gè)重要的工作就是把Linux內(nèi)核搬運(yùn)到RAM中運(yùn)行，由于我們的內(nèi)核兼容不同的單板，uboot也會(huì)傳遞給內(nèi)核一些配置參數(shù)以配置內(nèi)核。

往往RAM分配的地址比較高，而整個(gè)程序往往都是0地址開(kāi)始執(zhí)行了的，如果讓存儲(chǔ)地址與運(yùn)行地址相同來(lái)進(jìn)行編譯，會(huì)導(dǎo)致最終燒錄文件非常之大，并且中間有一大片地址區(qū)域是無(wú)效的。

那么有什么辦法來(lái)解決這個(gè)無(wú)效區(qū)域以縮小我們的固件大小呢?先了解下位置無(wú)關(guān)指令。

05位置無(wú)關(guān)指令

既然有位置無(wú)關(guān)指令就有位置有關(guān)指令，簡(jiǎn)單的說(shuō)所執(zhí)行的指令是不是與位置相關(guān)才能達(dá)到目的。

可以類(lèi)比與絕對(duì)路徑與相對(duì)路徑，相對(duì)路徑你可以把程序放在任何文件夾下面，編輯器均可以根據(jù)工程文件路徑找到其他每一個(gè)文件，而絕對(duì)路徑卻不行，一旦文件夾換了，基本上就是定位不到具體的每個(gè)文件了。

所以位置無(wú)關(guān)就相當(dāng)于相對(duì)路徑，數(shù)據(jù)的訪問(wèn)、函數(shù)的調(diào)用幾乎都是相對(duì)的，為什么說(shuō)是幾乎呢?因?yàn)橛行┣闆r下訪問(wèn)絕對(duì)地址也是與位置關(guān)系不大的，可以把這段程序放在可以執(zhí)行的任何位置，所以位置無(wú)關(guān)碼的運(yùn)行與鏈接地址也沒(méi)有直接的聯(lián)系。

比如跳轉(zhuǎn)指令B BL等這些跳轉(zhuǎn)指令采用PC+偏移量，所以為位置無(wú)關(guān)指令;而如果我們采用ldr r0, =標(biāo)記，而這些標(biāo)記都是實(shí)際在鏈接過(guò)程中確定的運(yùn)行地址，所以該指令為位置有關(guān)指令;并且全局變量基本上都是位置有關(guān)，而局部變量為位置無(wú)關(guān);所以對(duì)于位置無(wú)關(guān)代碼區(qū)域，跳轉(zhuǎn)一般都使用B指令，而從位置無(wú)關(guān)代碼區(qū)域跳轉(zhuǎn)到位置有關(guān)指令代碼區(qū)域去執(zhí)行就需要借助位置有關(guān)跳轉(zhuǎn)指令。

06加載與運(yùn)行地址不同

當(dāng)存儲(chǔ)地址與鏈接地址不同時(shí)，多數(shù)情況下由于采用位置有關(guān)指令會(huì)出問(wèn)題，最常見(jiàn)的就是PC指針取的絕對(duì)地址，而此時(shí)該絕對(duì)地址處無(wú)存儲(chǔ)，導(dǎo)致程序飛掉。

既然有了位置無(wú)關(guān)的程序，那么我們就可以把其當(dāng)作一個(gè)搬運(yùn)工放在位置有關(guān)部分的后面，一旦需要運(yùn)行位置有關(guān)碼，那么就會(huì)通過(guò)位置無(wú)關(guān)碼把有關(guān)部分拷貝到運(yùn)行地址處，然后跳轉(zhuǎn)執(zhí)行即可，這樣整個(gè)的程序就可以做得非常的連續(xù)且中間幾乎沒(méi)有無(wú)效區(qū)域，該搬運(yùn)的過(guò)程就是常說(shuō)的重定位。

07地址的設(shè)置

大部分ARM處理器其PC都是從0地址開(kāi)始執(zhí)行，所以在0地址處要么是運(yùn)行程序，要么就是引導(dǎo)程序，如果沒(méi)有這兩樣，你的程序燒錄到其他位置均無(wú)法得到運(yùn)行。

對(duì)于S3C2440芯片能夠支持NorFlash和NandFlash啟動(dòng)，其中NorFlash上可以直接運(yùn)行，而NandFlash啟動(dòng)由于其程序無(wú)法直接在上面運(yùn)行，芯片會(huì)把內(nèi)部SRAM作為0地址處，并且把NandFlash前4K代碼拷貝到SRAM上運(yùn)行。

因?yàn)檫@里最終想讓所有的程序都在SDRAM里面運(yùn)行，考慮使用全部重定位的辦法，在鏈接腳本中確定好程序的存儲(chǔ)地址和運(yùn)行地址。

上圖是GUN linker中截取的段描述格式，來(lái)源于:

http://ftp.gnu.org/old-gnu/Manuals/ld-2.9.1/html_mono/ld.html

具體詳細(xì)解讀大家可以參考上面的鏈接，下面看看幾個(gè)常用的。

可執(zhí)行文件由各個(gè)段組成，：

1、secname段名，一般使用數(shù)據(jù)段.data段，代碼段.text段等等。

2、AT(ldadr)表示該段存儲(chǔ)地址，也就是加載地址。

3、contents表示目標(biāo)文件(比如.o目標(biāo)文件)中的哪些段放在本段，也可以是整個(gè)目標(biāo)文件全部放在這個(gè)段內(nèi)。

4、start表示本段鏈接(或者稱(chēng)為運(yùn)行)的地址，如果沒(méi)有使用AT(ldadr)，本段存儲(chǔ)的地址也是start，也就是說(shuō)存儲(chǔ)地址與運(yùn)行地址相等。

通過(guò)上面的段描述格式就可以在鏈接過(guò)程中確定好程序的運(yùn)行地址和載入地址，以方便后續(xù)的重定位地址的使用。

下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例說(shuō)明一下:

 1//....格式 
 2SECTIONS { 
 3... 
 4secname start BLOCK(align) (NOLOAD) : AT ( ldadr ) 
 5  { contents } >region :phdr =fill 
 6... 
 7} 
 8//.....示例 
 9SECTIONS { 
10... 
11.text 0x30000 : AT ( 0x0000 ) 
12  { *(.text) } 
13 
14.data 0x3FFFF : AT ( 0xFFFF ) 
15  { *(.data) } 
16... 
17} 

這樣固件的代碼段的存儲(chǔ)地址為0，數(shù)據(jù)段存儲(chǔ)地址為0xFFFF，而運(yùn)行地址分別為0x30000和0x3FFFF，最終重定位部分就根據(jù)這鏈接腳本中的符號(hào)獲得相應(yīng)地址，然后把相應(yīng)的部分"搬運(yùn)"到運(yùn)行地址處運(yùn)行處，比如如果載入地址在NandFlash上，那么重定位的過(guò)程中就需要初始化NandFlash控制器，然后讀取NandFlash上的數(shù)據(jù)并"搬運(yùn)"到運(yùn)行地址處。

在嵌入式linux中很多時(shí)候這些地址都需要我們自己確認(rèn)和設(shè)置的，不然Linux內(nèi)核無(wú)法啟動(dòng)或者加載相應(yīng)程序，而在單片機(jī)開(kāi)發(fā)中用慣了IDE工具，所以大部分人涉及得不多~

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「嵌入式情報(bào)局」，可以通過(guò)以下二維碼關(guān)注。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系嵌入式情報(bào)局公眾號(hào)。