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uboot的relocation原理详细分析

作者： 时间：2016-11-21 来源：网络
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所谓的relocation，就是重定位，uboot运行后会将自身代码拷贝到sdram的另一个位置继续运行，这个在uboot启动流程分析中说过。

但基于以前的理解，一个完整可运行的bin文件，link时指定的链接地址，load时的加载地址，运行时的运行地址，这3个地址应该是一致的

本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/201611/319403.htm

relocation后运行地址不同于加载地址特别是链接地址，ARM的寻址会不会出现问题？

新版uboot跟老版uboot不太一样的地方在于新版uboot不管uboot的load addr（entry pointer）在哪里，启动后会计算出一个靠近sdram顶端的地址，将自身代码拷贝到该地址，继续运行。

个人感觉uboot这样改进用意有二，一是为kernel腾出低端空间，防止kernel解压覆盖uboot，二是对于由静态存储器（spiflash nandflash）启动，这个relocation是必须的。

但是这样会有一个问题，relocation后uboot的运行地址跟其链接地址不一致，compiler会在link时确定了其中变量以及函数的绝对地址，链接地址加载地址 运行地址应该一致，

这样看来，arm在寻址这些变量函数时找到的应该是relocation之前的地址，这样relocation就没有意义了！

当然uboot不会这样，我们来分析一下uboot下relocation之后是如何寻址的，开始学习之前我是有3个疑问，如下

（1）如何对函数进行寻址调用

（2）如何对全局变量进行寻址操作（读写）

（3）对于全局指针变量中存储的其他变量或函数地址在relocation之后如何操作

搞清楚这3个问题，对于我来说relocation的原理就算是搞明白了。

为了搞清楚这些，在uboot的某一个文件中加入如下代码

[cpp] view plaincopyprint?
  1. voidtest_func(void)
  2. {
  3. printf("testfuncn");
  4. }
  6. staticvoid*test_func_val=test_func;
  7. staticinttest_val=10;
  9. voidrel_dyn_test()
  10. {
  11. test_val=20;
  12. printf("test=0x%xn",test_func);
  13. printf("test_func=0x%xn",test_func_val);
  14. test_func();
  15. }
void test_func(void) { printf("test funcn"); } static void * test_func_val = test_func; static int test_val = 10; void rel_dyn_test() { test_val = 20; printf("test = 0x%xn", test_func); printf("test_func = 0x%xn", test_func_val); test_func(); }
rel_dyn_test函数中就包含了函数指针 变量赋值函数调用这3种情况，寻址肯定要汇编级的追踪才可以，编译完成后反汇编，得到u-boot.dump（objdump用-D选项，将所有section都disassemble出来）

找到rel_dyn_test函数，如下：

[cpp] view plaincopyprint?
  1. 80e9d3cc:
  2. 80e9d3cc:e59f0000ldrr0,[pc,#0];80e9d3d4
  3. 80e9d3d0:eaffc2fbb80e8dfc4
  4. 80e9d3d4:80eb1c39.word0x80eb1c39
  6. 80e9d3d8:
  7. 80e9d3d8:e59f202cldrr2,[pc,#44];80e9d40c
  8. 80e9d3dc:e3a03014movr3,#20;0x14
  9. 80e9d3e0:e92d4010push{r4,lr}
  10. 80e9d3e4:e59f1024ldrr1,[pc,#36];80e9d410
  11. 80e9d3e8:e5823000strr3,[r2]
  12. 80e9d3ec:e59f0020ldrr0,[pc,#32];80e9d414
  13. 80e9d3f0:ebffc2f3bl80e8dfc4
  14. 80e9d3f4:e59f301cldrr3,[pc,#28];80e9d418
  15. 80e9d3f8:e59f001cldrr0,[pc,#28];80e9d41c
  16. 80e9d3fc:e5931000ldrr1,[r3]
  17. 80e9d400:ebffc2efbl80e8dfc4
  18. 80e9d404:e8bd4010pop{r4,lr}
  19. 80e9d408:eaffffefb80e9d3cc
  20. 80e9d40c:80eb75c0.word0x80eb75c0
  21. 80e9d410:80e9d3cc.word0x80e9d3cc
  22. 80e9d414:80eb1c44.word0x80eb1c44
  23. 80e9d418:80eaa54c.word0x80eaa54c
  24. 80e9d41c:80eb1c51.word0x80eb1c51
80e9d3cc : 80e9d3cc: e59f0000 ldr r0, [pc, #0] ; 80e9d3d4 80e9d3d0: eaffc2fb b 80e8dfc4 80e9d3d4: 80eb1c39 .word 0x80eb1c39 80e9d3d8 : 80e9d3d8: e59f202c ldr r2, [pc, #44] ; 80e9d40c 80e9d3dc: e3a03014 mov r3, #20 ; 0x14 80e9d3e0: e92d4010 push {r4, lr} 80e9d3e4: e59f1024 ldr r1, [pc, #36] ; 80e9d410 80e9d3e8: e5823000 str r3, [r2] 80e9d3ec: e59f0020 ldr r0, [pc, #32] ; 80e9d414 80e9d3f0: ebffc2f3 bl 80e8dfc4 80e9d3f4: e59f301c ldr r3, [pc, #28] ; 80e9d418 80e9d3f8: e59f001c ldr r0, [pc, #28] ; 80e9d41c 80e9d3fc: e5931000 ldr r1, [r3] 80e9d400: ebffc2ef bl 80e8dfc4 80e9d404: e8bd4010 pop {r4, lr} 80e9d408: eaffffef b 80e9d3cc 80e9d40c: 80eb75c0 .word 0x80eb75c0 80e9d410: 80e9d3cc .word 0x80e9d3cc 80e9d414: 80eb1c44 .word 0x80eb1c44 80e9d418: 80eaa54c .word 0x80eaa54c 80e9d41c: 80eb1c51 .word 0x80eb1c51
。。。

data段中

[cpp] view plaincopyprint?
  1. 80eb75c0:
  2. 80eb75c0:0000000a.word0x0000000a
80eb75c0 : 80eb75c0: 0000000a .word 0x0000000a
。。。
[cpp] view plaincopyprint?
  1. 80eaa54c:
  2. 80eaa54c:80e9d3cc.word0x80e9d3cc
80eaa54c : 80eaa54c: 80e9d3cc .word 0x80e9d3cc

rel_dyn_test反汇编后，最后多了一部分从0x80e9d40c开始的内存空间，对比发现这部分内存空间地址上的值竟然是函数需要的变量test_val test_func_val的地址。

网上资料称这些函数末尾存储变量地址的内存空间为Label，（编译器自动分配）

一条条指令来分析。

ldr r2, [pc, #44] ========> r2 = [pc + 0x2c]=======>r2 = [0x80e9d3e0 + 0x2c]=======>r2 =[0x80e9d40c]

需要注意，由于ARM的流水线机制，当前PC值为当前地址加8个字节

这样r2获取的是0x80e9d40c地址的值0x80eb75c0，这就是test_val的值嘛

mov r3， #20======> r3 = 20

对应C函数这应该是为test_val = 20做准备，先跳过后面2条指令，发现

str r3, [r2]

很明显了，将立即数20存入0x80eb75c0中也就是test_val中。

这3条指令说明，ARM对于变量test_val的寻址如下：

（1）将变量test_val的地址存储在函数尾端的Label中（这段内存空间是由编译器自动分配的，而非人为）

（2）基于PC相对寻址获取函数尾端Label上的变量地址

（3）对test_val变量地址进行读写操作

再来看其中的几条指令

ldr r3, [pc, #28] =====> r3 = [0x80e9d3fc + 0x1c] =====> r3 = [0x80e9d418] ====> r3 = 0x80eaa54c

ldr r1, [r3] =====> r1 = [0x80eaa54c] ======> r1 = 0x80e9d3cc

0x80e9d3cc这个地址可以看出是test_func的入口地址，这里是printf打印test_func_val的值
可以看出对于函数指针变量的寻址跟普通变量一样。

接下来来看函数的调用，可以看到对于printf以及test_func，使用的是指令bl以及b进行跳转，这2条指令都是相对寻址（pc + offset）

说明ARM调用函数使用的是相对寻址指令bl或b，与函数的绝对地址无关

对于这3种情况的寻址方法已经知道了，那就需要思考一下relocation之后会有什么变化。

将rel_dyn_test relocation之后可以想象，函数的调用还是没有问题的，因为使用了bl或b相对跳转指令。

但是对于变量的寻址就有问题了，寻址的前2步没有问题，相对寻址获取尾部Label中的变量地址，但获取的变量地址是在 link时就确定下来的绝对地址啊！

而对于指针变量的寻址呢，问题更多了，

首先跟普通变量寻址一样，尾部内存空间的变量地址是link时的绝对地址，再者，指针变量存储的变量指针或者函数指针也是在link时确定的绝对地址，relocation之后这个值也变了！

那uboot是如何来处理这些情况的呢？更准确的说应该是compiler和uboot如何一起来处理这些情况的呢？

这里利用了PIC位置无关代码，通过为编译器指定编译选项-fpic或-fpie产生，
这样编译产生的目标文件包含了PIC所需要的信息，-fpic，-fpie是gcc的PIC编译选项。ld也有PIC连接选项-pie，要获得一个完整的PIC可运行文件，连接目标文件时必须为ld指定-pie选项，

察看uboot的编译选项发现，在arch/arm/config.mk，如下：

[cpp] view plaincopyprint?
  1. #neededforrelocation
  2. LDFLAGS_u-boot+=-pie
# needed for relocation LDFLAGS_u-boot += -pie
uboot只指定了-pie给ld，而没有指定-fPIC或-fPIE给gcc。

指定-pie后编译生成的uboot中就会有一个rel.dyn段，uboot就是靠rel.dyn段实现了完美的relocation！

察看u-boot.dump中的rel.dyn段，如下：

[cpp] view plaincopyprint?
  1. Disassemblyofsection.rel.dyn:
  3. 80eb7d54<__rel_dyn_end-0x5c10>:
  4. 80eb7d54:80e80020rschir0,r8,r0,lsr#32
  5. 80eb7d58:00000017andeqr0,r0,r7,lslr0
  6. 80eb7d5c:80e80024rschir0,r8,r4,lsr#32
  7. 80eb7d60:00000017andeqr0,r0,r7,lslr0
  8. 80eb7d64:80e80028rschir0,r8,r8,lsr#32
  9. 80eb7d68:00000017andeqr0,r0,r7,lslr0
  10. 。。。
  11. "color:#FF0000;">80eba944:80e9d40crschisp,r9,ip,lsl#8
  12. 80eba948:00000017andeqr0,r0,r7,lslr0
  13. 80eba94c:80e9d410rschisp,r9,r0,lslr4
  14. 80eba950:00000017andeqr0,r0,r7,lslr0
  15. 80eba954:80e9d414rschisp,r9,r4,lslr4
  16. 80eba958:00000017andeqr0,r0,r7,lslr0
  17. 80eba95c:80e9d418rschisp,r9,r8,lslr4
  18. 80eba960:00000017andeqr0,r0,r7,lslr0
  19. 80eba964:80e9d41crschisp,r9,ip,lslr4
  20. 80eba968:00000017andeqr0,r0,r7,lslr0
  21. 。。。。
Disassembly of section .rel.dyn: 80eb7d54 <__rel_dyn_end-0x5c10>: 80eb7d54: 80e80020 rschi r0, r8, r0, lsr #32 80eb7d58: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0 80eb7d5c: 80e80024 rschi r0, r8, r4, lsr #32 80eb7d60: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0 80eb7d64: 80e80028 rschi r0, r8, r8, lsr #32 80eb7d68: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0 。。。 80eba944: 80e9d40c rschi sp, r9, ip, lsl #8 80eba948: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0 80eba94c: 80e9d410 rschi sp, r9, r0, lsl r4 80eba950: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0 80eba954: 80e9d414 rschi sp, r9, r4, lsl r4 80eba958: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0 80eba95c: 80e9d418 rschi sp, r9, r8, lsl r4 80eba960: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0 80eba964: 80e9d41c rschi sp, r9, ip, lsl r4 80eba968: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0 。。。。

有没有注意到，rel_dyn_test末尾存储全局变量地址的Label地址也存储在这里，那有什么用呢，那就来看一下uboot的核心函数relocate_code是如何实现自身的relocation的，

在arch/arm/lib/relocate.S中

[cpp] view plaincopyprint?
  1. ENTRY(relocate_code)
  2. ldrr1,=__image_copy_start
  3. subsr4,r0,r1
  4. beqrelocate_done
  5. ldrr2,=__image_copy_end
  7. copy_loop:
  8. ldmiar1!,{r10-r11}
  9. stmiar0!,{r10-r11}
  10. cmpr1,r2
  11. blocopy_loop
  14. ldrr2,=__rel_dyn_start
  15. ldrr3,=__rel_dyn_end
  16. fixloop:
  17. ldmiar2!,{r0-r1}
  18. andr1,r1,#0xff
  19. cmpr1,#23
  20. bnefixnext
  23. addr0,r0,r4
  24. ldrr1,[r0]
  25. addr1,r1,r4
  26. strr1,[r0]
  27. fixnext:
  28. cmpr2,r3
  29. blofixloop
  31. relocate_done:
ENTRY(relocate_code) ldr r1, =__image_copy_start subs r4, r0, r1 beq relocate_done ldr r2, =__image_copy_end copy_loop: ldmia r1!, {r10-r11} stmia r0!, {r10-r11} cmp r1, r2 blo copy_loop ldr r2, =__rel_dyn_start ldr r3, =__rel_dyn_end fixloop: ldmia r2!, {r0-r1} and r1, r1, #0xff cmp r1, #23 bne fixnext add r0, r0, r4 ldr r1, [r0] add r1, r1, r4 str r1, [r0] fixnext: cmp r2, r3 blo fixloop relocate_done:
前半部分在uboot启动流程中讲过，将__image_copy_start到__image_copy_end之间的数据进行拷贝

来看一下arm的link script，在arch/arm/cpu/u-boot.lds，如下：

[cpp] view plaincopyprint?
  1. OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm","elf32-littlearm","elf32-littlearm")
  2. OUTPUT_ARCH(arm)
  3. ENTRY(_start)
  4. SECTIONS
  5. {
  6. .=0x00000000;
  8. .=ALIGN(4);
  9. .text:
  10. {
  11. *(.__image_copy_start)
  12. CPUDIR/start.o(.text*)
  13. *(.text*)
  14. }
  16. .=ALIGN(4);
  17. .rodata:{*(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*)))}
  19. .=ALIGN(4);
  20. .data:{
  21. *(.data*)
  22. }
  24. .=ALIGN(4);
  26. .=.;
  28. .=ALIGN(4);
  29. .u_boot_list:{
  30. "code"class="cpp">KEEP(*(SORT(.u_boot_list*)));
  31. }
  33. .=ALIGN(4);
  35. .image_copy_end:
  36. {
  37. *(.__image_copy_end)
  38. }
  40. .rel_dyn_start:
  41. {
  42. *(.__rel_dyn_start)
  43. }
  45. .rel.dyn:{
  46. *(.rel*)
  47. }
  49. .rel_dyn_end:
  50. {
  51. *(.__rel_dyn_end)
  52. }
  54. .end:
  55. {
  56. *(.__end)
  57. }
  59. _image_binary_end=.;
OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm") OUTPUT_ARCH(arm) ENTRY(_start) SECTIONS { . = 0x00000000; . = ALIGN(4); .text : { *(.__image_copy_start) CPUDIR/start.o (.text*) *(.text*) } . = ALIGN(4); .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) } . = ALIGN(4); .data : { *(.data*) } . = ALIGN(4); . = .; . = ALIGN(4); .u_boot_list : {
KEEP(*(SORT(.u_boot_list*))); } . = ALIGN(4); .image_copy_end : { *(.__image_copy_end) } .rel_dyn_start : { *(.__rel_dyn_start) } .rel.dyn : { *(.rel*) } .rel_dyn_end : { *(.__rel_dyn_end) } .end : { *(.__end) } _image_binary_end = .;
可以看出__image_copy_start---end之间包括了text data rodata段，但是没有包括rel_dyn。 继续看relocate_code函数，拷贝__image_copy_start----end之间的数据，但没有拷贝rel.dyn段。 首先获取__rel_dyn_start地址到r2，将start地址上连续2个4字节地址的值存在r0 r1中 判断r1中的值低8位，如果为0x17，则将r0中的值加relocation offset。 获取以此r0中值为地址上的值，存到r1中 将r1中值加relocation offset，再存回以r0中值为地址上。 以此循环，直到__rel_dyn_end。 这样读有些拗口。来以咱们的rel_dyn_test举例子。 上面rel.dyn段中有一段如下： 
[cpp] view plaincopyprint?
  1. 80eba944:80e9d40crschisp,r9,ip,lsl#8
  2. 80eba948:00000017andeqr0,r0,r7,lslr0
80eba944: 80e9d40c rschi sp, r9, ip, lsl #8 80eba948: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
按照上面的分析，判断第二个四字节为0x17，r0中存储为0x80e9d40c。这个是rel_dyn_test末尾Label的地址啊， 将r0加上relocation offset，则到了relocation之后rel_dyn_test的末尾Label。 获取r0为地址上的值到r1中，0x80eb75c0，可以看到，这个值就是变量test_val的首地址啊。 最后将r1加上relocation offset，写回以r0为地址上。意思是将变量test_val地址加offset后写回到relocation之后rel_dyn_test的末尾Label中。 这样relocate_code完成后，再来看对test_val的寻址。寻址第三步获取到的是修改之后的relocation addr啊，这样就可以获取到relocation之后的test_val值！ 对于普通变量寻址是这样，那对于指针变量呢，如test_func_val呢？ 获取test_func_val relocation后地址的步骤跟上面一样，但是我们在获取test_func_val的值时要注意，这个变量存储的是函数test_func指针，之前是0x80e9d3cc，relocation之后就变化了，所以test_func_val的值也应该变化，这个该怎么办？ 方法是一样的，可以在rel.dyn段中找到如下一段： 
[cpp] view plaincopyprint?
  1. 80ebc18c:80eaa54crschisl,sl,ip,asr#10
  2. 80ebc190:00000017andeqr0,r0,r7,lslr0
80ebc18c: 80eaa54c rschi sl, sl, ip, asr #10 80ebc190: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
这上面存储的是test_func_val的地址，按照relocate_code的操作，完成后80eaa54c + offset上的值也应该+offset了。 这就解决了，test_func_val的值也就是test_func的地址也被修改为relocation之后的地址了。 网上查阅资料，这里对于rel.dyn段中每一个rel section（8个字节）第二个4字节，0x17，是一种label的类型R_ARM_RELATIVE， 经过上面uboot的relocate_code后，我们提出的3个问题的寻址都可以正常工作。 还有一个疑问，是谁来决定哪些label放到rel.dyn中，特别是对于存储指针的变量，如何分辨，这样看来，是compiler的ld来完成的这个工作，将所有需要relocate的label放到rel.dyn段中，真是牛逼的compiler啊！总结一下，可以看出， 使用-pie选项的compiler，将需要relocate的值（全局变量地址 函数入口地址）的地址存储在rel.dyn段中，uboot运行中relocate_code遍历rel.dyn段，根据rel.dyn中存储的值，对以（这些值+offset）为地址上的值进行了relocate，完成对所有需要relocate的变量的修改！。。。。还是有些拗口。。。 需要注意的是，在uboot的整个relocate_code中rel.dyn不仅没有拷贝，也没有修改，修改只是针对rel.dyn中值+offset为地址上的值！ 查阅网上资料，compiler在cc时加入-fPIC或-fPIE选项，会在目标文件中生成GOT（global offset table），将本文件中需要relocate的值存放在GOT中，函数尾部的Label来存储GOT的offset以及其中变量的offset，变量寻址首先根据尾部Label相对寻址找到GOT地址，以及变量地址在GOT中的位置，从而确定变量地址，这样对于目标文件统一修改GOT中的值，就修改了变量地址的offset，完成了relocation。 ld时加入-pie选项，就会将GOT并入到rel.dyn段中，uboot在relocate_code中统一根据rel.dyn段修改需要relocation的数值。 uboot中ld使用-pie而cc没有使用-fPIC或-fPIE,目标文件中就不会生成GOT，函数中寻址还是在尾部Label中直接存储变量的绝对地址，但这个Label同样存在rel.dyn中，uboot根据rel.dyn段修改Label上的值，就完成了relocation。 这样不仅节省了每个目标文件的GOT段，而且不需要去相对寻址GOT，直接修改函数尾部Label所存储的变量地址就可以啦！ uboot的relocation就是如此！

				
            
                
			
							

                
			              
              
            

		

		

		

		

		

			
    
				
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关键词：
            			            ubootrelocatio
                        
            

            
			

		
	
		

	


	
	

		

			
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