前言

任务

在 SRAM 中将代码从 0xd0020010 重定位到 0xd0024000。

任务解释：本来代码是运行在0xd0020010的，但是因为一些原因我们又希望代码实际是在0xd0024000位置运行
的。这时候就需要重定位了。

注解：本练习对代码本身运行无实际意义，我们做这个重定位纯粹是为了练习重定位技能。但是某些情况重定位就是必须的，譬如在 uboot 中。

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一、思路

第一点：通过链接脚本将代码链接到 0xd0024000；
第二点：dnw 下载时将 bin 文件下载到 0xd0020010；

第一点加上第二点，就保证了：代码实际下载运行在 0xd0020010，但是却被链接 0xd0024000。从而为重定位奠定了基础。

当我们把代码链接地址设置为 0xd0024000 时，实际隐含意思就是: 我这个代码将来必须放在 0xd0024000 位置才能正确执行。如果实际运行地址不是这个地址就要出事（除非代码是 PIC 位置无关码），当以上都明白了后，就知道重定位代码的作用就是：在 PIC 执行完之前（在代码中第一句位置有关码执行之前）必须将整个代码搬移到 0xd0024000 位置去执行，这就是重定位。

第三点：代码执行时, 通过代码前段的少量位置无关码将整个代码搬移到 0xd0024000;
第四点：使用一个长跳转跳转到 0xd0024000 处的代码继续执行，重定位完成;

长跳转：首先这句代码是一句跳转指令（ARM 中的跳转指令就是类似于分支指令 B、BL 等作用的指令），跳转指令通过给 PC（r15）赋一个新值来完成代码段的跳转执行。长跳转指的是跳转到的地址和当前地址差异比较大，跳转的范围比较宽广。

当我们执行完代码重定位后，实际上在 SRAM 中有 2 份代码的镜像（一份是我们下载到0xd0020010 处开头的，另一份是重定位代码复制到 0xd0024000 处开头的），这两份内容完全相同，仅仅地址不同。重定位之后使用 ldr pc, =led_blink 这句长跳转, 直接从 0xd0020010 处代码跳转到 0xd0024000 开头的那一份代码的 led_blink 函数处去执行。（实际上此时在 SRAM中 有 2 个 led_blink 函数镜像，两个都能执行，如果短跳转: bl led_blink 则执行的就是 0xd0020010 开头的这一份，如果长跳转: ldr pc, =led_blink 则执行的是 0xd0024000 开头处的这一份）。这就是短跳转和长跳转的区别。

当链接地址和运行地址相同时，短跳转和长跳转实际效果是一样的；但是当链接地址不等于运行地址时，短跳转和长跳转就有差异了。这时候短跳转实际执行的是运行地址处的那一份，而长跳转执行的是链接地址处那一份。

总结：重定位实际就是在运行地址处执行一段位置无关码 PIC，让这段 PIC（也就是重定位代码）从运行地址处, 把整个程序镜像拷贝一份到链接地址处，完了之后使用一句长跳转指令, 从运行地址处直接跳转到链接地址处去执行同一个函数（led_blink），这样就实现了重定位之后的无缝连接。

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二、链接脚本分析讲解

1、adr 与 ldr 伪指令的区别

ldr 和 adr 都是伪指令，区别是 ldr 是长加载、adr 是短加载。

重点：adr 指令加载符号地址，加载的是运行时地址；ldr 指令在加载符号地址时，加载的是链接地址。

深入分析：只要知道 adr 和 ldr 分别用于加载运行地址和链接地址，从而可以判断是否需要重定位即可；根本不需知道为什么 adr 和 ldr 是这样子，但是我们还是给大家扩展讲下为什么 adr 和 ldr 可以加载不同的地址。

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可以看到，
adr 指令对应转换为 sub r0, pc, #40 ; 0x28 , 从当前 pc 指针的值，减去 40；
ldr 指令对应转换为 ldr r1, [pc, #72]，当前 pc 指针的值，加上 72；

下面我们再具体看一下：
注意：有个前提必须知道，下方代码块的最左侧一栏，0xd0024000 是链接地址，即我们期望程序运行时的地址，当时这个链接地址不一定等于运行时地址；在这个例子中，我们用 dwn 将程序下载到 0xd0020010。

也就是说，程序的链接地址是 0xd0024000 , 但是刚开始的运行地址是 0xd0020010. 需要我们完成代码重定向，实现运行地址等于链接地址的工作。

pc 寄存器的值，表示 CPU 下一条需要指令的地址；因此 pc 寄存器的内容是运行地址。
于是我们往下走：

sub r0, pc, #40 ; 0x28，首先当前 pc 寄存器的值并不是左侧栏的 d0024020，但是 pc 寄存器的值肯定指向某个地址，该地址处存放 sub r0, pc, #40 ; 0x28 指令的内容，这个对应关系是不会变的；然后，考虑到 ARM 流水线的结构，实际的 pc 指向的位置，应该是 sub r0, pc, #40 ; 0x28 指令开始，继续偏移两条指令的地址处（对应指令 ldr r2, [pc, #72]）。

现在，将 pc 寄存器的值减去 40（等于16进制减去 0x28），也就是说，pc 寄存器向上偏移 10条 ARM 指令（10 * 4 = 40），于是 pc 指向了 _start 标号处的第一条指令的地址处。所以说， adr 指令得到的地址，依然是运行时地址，是从当前 pc 指针向前偏移，属于相对寻址。

d0024000 <_start>:
d0024000:       e59f0064        ldr     r0, [pc, #100]  ; d002406c <run_on_dram+0x8>
d0024004:       e3a01000        mov     r1, #0
d0024008:       e5801000        str     r1, [r0]
d002400c:       e59fd05c        ldr     sp, [pc, #92]   ; d0024070 <run_on_dram+0xc>
d0024010:       ee110f10        mrc     15, 0, r0, cr1, cr0, {0}
d0024014:       e3c00a01        bic     r0, r0, #4096   ; 0x1000
d0024018:       e3800a01        orr     r0, r0, #4096   ; 0x1000
d002401c:       ee010f10        mcr     15, 0, r0, cr1, cr0, {0}
d0024020:       e24f0028        sub     r0, pc, #40     ; 0x28
d0024024:       e59f1048        ldr     r1, [pc, #72]   ; d0024074 <run_on_dram+0x10>
d0024028:       e59f2048        ldr     r2, [pc, #72]   ; d0024078 <run_on_dram+0x14>
d002402c:       e1500001        cmp     r0, r1
d0024030:       0a000003        beq     d0024044 <clean_bss>

同理：
ldr 指令对应转换为 ldr r1, [pc, #72]，从 pc 寄存器的值加上 72，于是 pc 寄存器指向的位置，应该就是来到了 0xd0024074 对应的地方。

从下面代码块看到，将来 pc 寄存器指向的位置，取得的指令是一个数字：d0024000 ，这个值就是我们期望的链接地址。

所以说， ldr r1, [pc, #72] 指令是绝对寻址，因为它的作用是：将 pc 寄存器偏移到一个位置，这个位置专门存放数据。

d0024064 <run_on_dram>:
d0024064:       e59ff014        ldr     pc, [pc, #20]   ; d0024080 <run_on_dram+0x1c>
d0024068:       eafffffe        b       d0024068 <run_on_dram+0x4>
d002406c:       e2700000        rsbs    r0, r0, #0
d0024070:       d0037d80        andle   r7, r3, r0, lsl #27
d0024074:       d0024000        andle   r4, r2, r0
d0024078:       d002412c        andle   r4, r2, ip, lsr #2
d002407c:       d002412c        andle   r4, r2, ip, lsr #2
d0024080:       d00240a0        andle   r4, r2, r0, lsr #1
d0024084:       00001a41        andeq   r1, r0, r1, asr #20
d0024088:       61656100        cmnvs   r5, r0, lsl #2
d002408c:       01006962        tsteq   r0, r2, ror #18
d0024090:       00000010        andeq   r0, r0, r0, lsl r0
d0024094:       45543505        ldrbmi  r3, [r4, #-1285]        ; 0x505
d0024098:       08040600        stmdaeq r4, {r9, sl}
d002409c:       00010901        andeq   r0, r1, r1, lsl #18

 adr  r0, _start     
 ldr  r1, =_start  
 
因此，r0 寄存器中的值是程序运行时地址， r1 寄存器中的值是链接地址。

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2、重定位（代码拷贝）

从上节的分析我们知道，r0 寄存器中的值是程序运行时地址， r1 寄存器中的值是链接地址。

重定位就是汇编代码中的 copy_loop 函数，代码的作用是：使用循环结构来逐句复制代码到链接地址。
复制的源地址是 SRAM 的 0xd0020010（运行时地址），复制目标地址是 SRAM 的 0xd0024000 （链接地
址），复制长度是  r1 到 r2，即 bss_start 减去 _start。

可以看到，链接脚本中定义 bss_start 到 bss_end 的地址范围，是 bss 段的内容； bss_start 地址前面的内容，是整个程序中的 .text 代码段 和 .data 数据段。

我们还可以看到， r1 和 r2 寄存器的值，分别对应 d0024000 和 d002412c，都是链接地址；
所以复制的长度，就是整个重定位需要重定位的长度，也就是整个程序中代码段+数据段的长度；
bss 段（bss 段中就是0初始化的全局变量）不需要重定位。

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3、清 bss 段

清除 bss 段是为了满足 C 语言的运行时要求（C 语言要求显式初始化为 0 的全局变量，或者未显式初始化的全
局变量的值为 0，实际上 C 语言编译器就是通过清 bss 段来实现 C 语言的这个特性的）。一般情况下我们的程
序是不需要负责清零 bss 段的（C 语言编译器和链接器会帮我们的程序自动添加一段头程序，这段程序会在我们
的 main 函数之前运行，这段代码就负责清除 bss）。但是在我们代码重定位了之后，因为编译器帮我们附加的
代码只是帮我们清除了运行地址那一份代码中的 bss，而未清除重定位地址处开头的那一份代码的 bss，所以重
定位之后需要自己去清除 bss。

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4、长跳转

清理完 bss 段后重定位就结束了。然后当前的状况是：
1、当前运行地址还在 0xd0020010 开头的（重定位前的）那一份代码中运行着。
2、此时 SRAM 中已经有了 2 份代码，1份在 d0020010 开头，另一份在 d0024000 开头的位置。
然后就要长跳转了。

可以看到，最终 pc 寄存器指向的地址的内容是：0xd002,40a0，即链接地址范围内的 led_blink 的入口地址。

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源自朱有鹏老师.