ARM架构与编程6--重定位（基于百问网ARM架构与编程教程视频）
一、启动程序流程
我们之前讲过，单片机有根据boot的不同，有三种启动方式：
| boot0 | boot1 | 启动模式 |
|---|---|---|
| 0 | X | flash启动 |
| 1 | 0 | 系统存储器 |
| 1 | 1 | 内置SRAM |
单片机上电复位后，运行main函数。以STMF103ZE芯片、flash启动为例。
首先在keil中可以看到芯片默认的ROM和RAM地址：
可以看到，ROM也就是flash起始地址是0x08000000，大小是512k：RAM起始地址是0x20000000，大小是64k。
下面以串口实验为例，看一下程序的反汇编代码。分析一下系统的启动流程。
程序被下载到flash中，首地址就是0x08000000，而且内核规定了，第一条指令必须是初始化栈指针的，第二条指令必须是初始化PC指针，PC = Rest_Handle，并且跳转过去执行，然后在Rest_Handler中调用main函数，这样程序就会执行我们自己写的函数了。注意这个函数是我们自己编写的，不是官方的，这里为了让大家更加清晰的看到程序的执行过程，简化了这个函数。
这里用mymain代替main函数，也是要简化系统启动的流程。 查看MDK的文档，会发现有这么一句说明：It is automatically created by the linker when it sees a definition of main()。就是说，当发现定义了main函数，那么就会自动创建__main，这个函数是编译器自动创建的，会在里面去进行一些初始化设置。
这样，我们就可以正常运行一个简单的程序，下面以串口实验为例：
可以看到，现象正常，说明我们自己的启动文件是可以运行的。
二、段
启动文件像上面那样设置是不是就没问题了？我们做个实验，还是以串口为例。
char Temp = 'O';
int mymain()
{
usart_init();
putchar('1');
putchar('1');
putchar(Temp）;
putchar('1');
putchar('1');
while(1);
}
定义一个全局变量，并赋值。然后通过串口打印输出。
我们可以看到，输出的结果明显不对，Temp应该是输出字母O，但是结果明显不是。下面大红框是数据的16进制表示，31、32是1、2的ASCII码值，中间应该是O的，应该是4F。而且每一次复位之后，输出的也不一样。说明全局变量Temp的值不是确定的，每次上电后都发生变化。
下面定义一个const修饰的全局变量，可以看到，Temp2对应的16进制是41，也就是A，说明Temp2的值是确定的，Temp１的值是不确定的。
下面看一下这两个遍全局变量的地址。
可以看到，Temp１地址是0x2000 0000，Temp２地址是0x0800 0144，这两个地址是不是有些眼熟。没错，正是对应芯片的RAM和ROM。
也就是说，虽然都是全局变量，但是他们在程序运行时，保存的位置是不一样的。
对于全局变量Temp1，他是可读可写的，所以在运行时放在RAM中。Temp2是只读的，所以放在ROM（也就是Flash）中。根据程序数据存放位置的不同，内存会被分为不同的段。
1、可读可写数据段（RW-data）：存放初始值不为0的全局变量、静态变量。烧录在ROM上，使用之前需要从ROM上复制到内存。
2、只读数据段（RO-data）：存放不可以被修改的变量，如const修饰的变量或者字符串，烧录在ROM上，不需要复制到内存。
3、BSS或ZI段：初始值为0和未初始化的全局变量或静态变量，放在RAM中。
4、堆：一块空闲空间，存放进程运行中被动态分配的内存段，使用malloc函数来管理它。
5、栈：存放局部变量和函数调用时的参数
上面是存放数据的段，还有存放代码的段。
代码段(Code)：就是目标文件的所有程序代码，不会被修改，烧录在Flash中。
烧录时：
Code+RO+RW全在flash上，RI段全是0没必要烧录,只需要在程序运行前全部清零即可。
运行时：
RW-data会搬运到RAM中，链接器会把RW的地址映射到RAM中的一片区域内，访问RW-data实际上访问的是RAM中的地址。
接下来我们分析一下，为什么上面的全局变量Temp1的值是不确定的。
因为链接器只负责映射地址，不负责数据的拷贝，所以对于RAM中的0x20000000这个地方，是没有数据的，或者说这里面的数据是随机的，因为没有对这快内存进行赋值。我们的程序上电之后，执行Rest_Handler程序，设置栈指针，然后运行main函数，使用串口打印Temp，这些流程中，并没有对0x20000000这块内存进行赋值。这就是为什么定义Temp1时候，即使赋值了，但是仍然打印不出来正确的数据初始化赋的值保存在了ROM中，而程序运行时访问的时RAM中的地址，RAM中的空间并没有被初始化。对于Temp2，CPU访问的时候访问的是ROM区域，而Temp2正是保存在这里，所以CPU可以直访问。
2.1 加载地址和链接地址
由上可知，程序在烧录和运行时分布是不同的。这些程序中所有初值要保存只可能存在ROM中，但是在使用的时候，访问的却是RAM。所以这中间肯定有这样一种机制 : 在上电以后把ROM中存储的这些变量初值来重新初始化到对应的RAM地址，以便后续程序指令访问。
在程序烧录时，所有数据都加载都ROM中，在ROM中为代码和数据分配内存空间，加载地址就是程序保存在ROM中的地址。
链接地址：程序在RAM中执行时的地址。执行这条指令时，PC值应该等于这个地址，也就是说，PC等于这个地址时，这条指令应该保存在这个地址内。链接地址由链接脚本文件指出，链接的时候确定。
2.1.2 重定位
重定位就是把目标重新放在一个新的地址上，PC访问的时候是去新地址上访问。简单地说就是用链接地址来代替加载地址成为程序被访问时的地址。保存在ROM上的全局变量的值，在使用前要复制到RAM，这就是数据段重定位。若想把代码移动到其他位置，就是代码重定位。
假若程序不位于链接地址时程序会出现什么问题？
去访问某些全局变量时就会出错，因为访问这些全局变量时用的是它的链接地址，我去链接地址访问你，你就必须位于链接地址上。
现在我们应该知道了为什么上面的Temp1打印出来乱码，是因为Temp1的链接地址上的数据没有被赋值。
下面我们看一下官方提供的启动文件中的Rest_Handler函数中做了些什么：
SystemInit中主要负责初始化STM的时钟系统。
__main中的__scatterload函数负责设置内存，而rt_entry函数负责设置运行时的环境。__scatterload中负责把RW（非零）输出段从装载域地址复制到运行域地址（执行代码和数据复制、解压缩），并完成ZI段运行域数据的0初始化工作。然后跳到__rt_entry设置堆栈和堆、初始化库函数和静态数据。然后，__rt_entry跳转到应用程序的入口main()。主应用程序结束执行后，__rt_entry将库关闭，然后把控制权交换给调试器。main()函数的存在强制链接器链接到__main和__rt_entry中的代码。如果没有标记为main()的函数，则没有链接到初始化序列，因而部分标准C库功能得不到支持。
到现在我们知道了程序的启动流程应该是：复位->设置堆栈->执行Reset_Handler->SystemInit（可以没有）->__main（重定位RW-data数据段、清楚ZI段）->进入真正的main函数。
可以看到，我们自己的启动函数缺少了SystemInit和__main两部分，对于SystemInit是配置时钟的，如果不初始化，芯片默认使用HSI-8MHz的时钟。所以不是必须的；但是数据段的重定位是必须的，所以我们要加上这部分。
三、重定位
是否需要重定位，根据数据的加载地址和链接地址确定。若加载地址和链接地址相等，则不需要重定位，比如保存在ROM中的RO-data。
否则就需要重定位，比如RW-data。BSS（ZI）段：不需要重定位，在可执行文件中没有他，只需要在把他对应的空间清零即可。
对于重定位，还需要知道两个概念：位置无关码、位置有关码。
3.1 位置无关码
该段代码无论放在内存的哪个地址，都能正确运行。因为他使用程序当前运行的PC值进行相对跳转，PC=PC+offset，没有使用绝对地址，都是相对地址，无论代码在哪，总能达到指令的正常目的，也就是说这段代码扔在任何位置都可以运行。类似于文件的相对路径，可以把程序放在任何文件夹下面，编辑器均可以根据工程文件路径找到其他每一个文件。
例如：
bl main
3.2 位置有关码
它的地址与代码处于的位置相关，是绝对地址。如PC=0x08000000。他不依赖当前PC值，而是直接把要跳转的地址赋值给PC。这样赋给PC的地址里面，必须有正确的指令才能正常运行，否则会出现各种错误。类似绝对路径，一旦文件夹发生变动，基本上就是定位不到具体的文件了。
例如：
ldr pc, =main
3.3 重定位实质
重定位的实质就是数据拷贝，把加载地址中的数据搬运到链接地址中去。
对于移动数据，我们要知道三个重要因素：、
1、源：数据来源，也就是加载地址中的数据。
2、目的：数据最终要保存的地址，也就是链接地址。
3、长度：要搬运的数据的长度。
在keil中，用散列文件描述以上三个方面。
3.4 散列文件
在编译过程中有多个.o文件，而最后生成的只是一个可执行文件，那么这些文件要怎么以什么方式生成一个文件呢----链接，在Keil-MDK下就是使用散列文件来指导链接的。
如上图所示，进行设置，然后重新编译，就会在Objects文件夹中得到一个.sct文件，他就是散列文件。
打开文件，可以看到下图中的代码。
下面我们分析一下这个散列文件中的代码。
首先看一下keil中散列文件的基础知识。
根据上图操作，打开文档找到第八章Scatter File Syntax。
根据上图可知，一个散点文件包含一个或多个加载域， 一个加载域可以包含一个或多个执行域，每一个执行域包含一个或多个Input section。 加载域中描述二进制文件中一共有哪些东西。
加载域语法
执行域分布：
.sct文件：
LR_IROM1 0x08000000 0x00080000 {;加载域地址从0x08000000开始,大小是0x00080000
ER_IROM1 0x08000000 0x00080000 { ; 执行域ER_IROM1的链接地址是0x08000000,与加载地址相同,大小也相同,所以他不需要重定位
*.o (RESET, +First) ;所有的.o文件里的RESET段抽取出来放在最开始的位置,一般只有启动文件中有RESET段
*(InRoot$$Sections) ;所有的文件包括库，keil添加的可执行文件，看不到源码，可以去掉
.ANY (+RO) ;等同于*，优先级比*低,这里表示所有的只读数据段-RO
.ANY (+XO) ;这里表示所有的只可执行段
}
RW_IRAM1 0x20000000 0x00010000 { ; 执行域RW_IRAM1的链接地址是0x20000000,大小是0x00010000,他需要重定位
.ANY (+RW +ZI) ;所有的文件的可读可写数据段和ZI段，但是ZI段并不会存在bin可执行文件里。
}
}
上面两个执行域包含了整个工程的所有信息，两个执行域，一个把内容存放在ROM，一个把内存放在了RAM。由上面也看到了，RO-data保存在了ROM上，RW-data和ZI段放在了RAM。
实际上，对于在STM32F103这类资源紧缺的单片机芯片中：
1、代码段保存在Flash上，直接在Flash上运行(当然也可以重定位到内存里)。
2、数据段暂时先保存在Flash上，然后在使用前被复制到内存里（只读数据段不复制）。
3.4.1 确定三要素
根据上面的内容可以分析出执行域的源和目的。
| 源 | 目的 | |
|---|---|---|
| ER_IROM1 | 0x0800 0000 | 0x0800 0000 |
| RW_IRAM1 | 紧随ER_IROM1之后 | 0x2000 0000 |
上面的内容是根据已知的文件生成的，但是对于任意的、未知的执行域来说，如何查找呢？
还是看上面的keil手册6.3节。
上面知道了三要素：
1、目的：Image$$region_name$$Base
2、长度：Image$$region_name$$Length
3、源：Load$$region_name$$Base
3.5 重定位代码
知道数据传输三要素之后，我们就可以自己编写重定位代码了。注意：重定位是在调用main函数之前。
先写一个数据拷贝函数memory_copy：
void memory_copy(void * dest,void * src,unsigned int len)
{
unsigned char * pcDest;
unsigned char * pcSrc;
while(len--)
{
*pcDest = *pcSrc;
pcSrc++;
pcDest++;
}
}
3.5.1 RW-data重定位
ldr r0, = |Image$$RW_IRAM1$$Base|
ldr r1, = |Load$$RW_IRAM1$$Base|
ldr r2, = |Image$$RW_IRAM1$$Length|
bl memory_copy
重定位之后，再次执行之前的实验代码：
可以看到，全局变量Temp1已经可以正常打印出来了。
打开反汇编文件，查看Temp1和Temp2的地址。可以看到，Temp1的地址是0x2000 0000，Temp2位于RO-data段，地址是0x0800 0164。
3.5.2 ZI段清零
ZI段不被烧录到ROM中，也不会放入bin文件中，否则也太浪费空间了。在使用ZI段里的变量之前，把ZI段所占据的内存清零就可以了。
查看散列文件可知，ZI段在可执行域RW_IRAM1中。
根据手册可以看到ZI段的基地址和长度。
知道了ZI段的基地址和长度，我们就可以对这块空间进行清除了。
ZI段保存的是初始值为0或没有初始值的全局变量和静态变量。
int Temp1[16] = {0};
int Temp2[16];
int mymain()
{
static int Temp3[16] = {0};
static int Temp4[16];
usart_init();
put_s_hex("Temp1 is: ",Temp1[0]);
put_s_hex("Temp2 is: ",Temp2[0]);
put_s_hex("Temp3 is: ",Temp3[0]);
put_s_hex("Temp4 is: ",Temp4[0]);
while(1);
}
输出结果：
Temp1 is: 0x6BF87F8B
Temp2 is: 0x126577A9
Temp3 is: 0xC82AA8DC
Temp4 is: 0xE5EC5EF7
可以看到，上面四个变量的值是随机的，打开keil生成的.map文件（Listings目录下），可以看到，他们都是位于BSS段。
由于没有进行RAM中BSS段的清零，所以他们初值是随机的。
注意：若本属于BSS段的数据比较少，编译器会进行优化，把数据放在.data段。
int Temp1 = 0;
int Temp2;
int mymain()
{
static int Temp3 = 0;
static int Temp4;
usart_init();
put_s_hex("Temp1 is: ",Temp1);
put_s_hex("Temp2 is: ",Temp2);
put_s_hex("Temp3 is: ",Temp3);
put_s_hex("Temp4 is: ",Temp4);
while(1);
}
ZI段清零：
还是在启动文件中添加ZI段清零的代码：
IMPORT |Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Base| ;ZI段基地址
IMPORT |Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Length| ;ZI段长度
IMPORT memory_set
ldr r0, = |Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Base|
mov r1, 0
ldr r2, = |Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Length|
bl memory_set
输出结果：
Temp1 is: 0x00000000
Temp2 is: 0x00000000
Temp3 is: 0x00000000
Temp4 is: 0x00000000
可以看到，ZI段已经被清零了。
3.5.3 代码重定位
一般情况下，代码都是下载到Flash中，但是有时候为了提高执行速度，也会把代码拷贝到RAM中运行。
首先设置Keil，使用自定义的散列文件。
然后修改Objects文件夹下的.sct文件。
LR_IROM1 0x08000000 0x00080000 { ; load region size_region
ER_IROM1 0x20000000 { ; load address = execution address
*.o (RESET, +First)
*(InRoot$$Sections)
.ANY (+RO)
}
RW_IRAM1 + 0 { ; RW data，紧跟着ER_IROM1后面
.ANY (+RW +ZI)
}
}
这样，代码的链接地址就处于RAM中了。
在汇编中，使用不同的指令可以在Flash或RAM中跳转函数。
LDR PC,=main ;使用链接地址，运行RAM中代码
BL main ;运行Flash中代码
所以运行RAM中的代码，要使用第一种跳转方法，同时必须进行代码重定位，否则会跟RW-data重定位出现的问题一样，运行函数的之前，函数的链接地址中没有相应的指令，程序就会崩溃。
代码段的链接地址(基地址)、长度，使用下面的符号获得：
代码段的加载地址，使用下面的符号获得：
代码重定位的汇编代码与之前的RW-data重定位类似，
LDR R0, = |Image$$ER_IROM1$$Base|
LDR R1, = |Load$$ER_IROM1$$Base|
LDR R2, = |Image$$ER_IROM1$$Length|
BL memory_copy
LDR R0, =mymain
BLX R0
注意：注意：要把启动文件的第二个指令的地址改一下，否则程序上电后第二步执行Reset_Handler时，是去RAM中执行，但此时RAM中并没有相应的Reset_Handler代码，所以要先执行ROM中的Reset_Handler，就是地址0x08000008。
__Vectors DCD 0
;DCD Reset_Handler ;直接跳转到RAM中执行，但是此时RAM中并没有相应的指令，所以程序崩溃
DCD 0x08000009 ;跳转到0x08000008执行，执行Flash中的Reset_Handler
3.6 重定位之前的代码怎么运行
重定位之前的代码是使用位置无关码写的，关于位置无关码和位置有关码的区别之前介绍过，这里不再讲解。
使用位置无关码，无论程序在哪里，都可以被CPU正确访问到。
1、只使用相对跳转指令：B、BL
2、不能用绝对跳转指令：
LDR R0, =main
BLX R0
3、不访问全局变量、静态变量、字符串、数组
4、重定位完后，使用绝对跳转指令跳转到XXX函数的链接地址去
BL main ; bl相对跳转，程序仍在Flash上运行
LDR R0, =main ; 绝对跳转，跳到链接地址去，就是跳去内存里执行
BLX R0
四、C语言编写重定位函数
在汇编中，重定位需要的变量用|Image$$region_name$$Base|这样的格式表示。
在C语言中，对于一个变量，可以用extern关键字声明为外部变量，然后直接引用即可。
对于变量，引用的时候要加上&：
extern int Image$$ER_IROM1$$Base;
extern int Load$$ER_IROM1$$Base;
extern int Image$$ER_IROM1$$Length;
memcpy(&Image$$ER_IROM1$$Base, &Image$$ER_IROM1$$Length, &Load$$ER_IROM1$$Base);
对于数组，数组名就相当于地址，所以不用加&：
extern char Image$$ER_IROM1$$Base[];
extern char Load$$ER_IROM1$$Base[];
extern int Image$$ER_IROM1$$Length;
memcpy(Image$$ER_IROM1$$Base, Image$$ER_IROM1$$Length, &Load$$ER_IROM1$$Base);
现在把启动文件中的重定位代码删除，用C语言编写一个重定位函数relocate_c，然后在启动文件中调用。
extern int Image$$ER_IROM1$$Base;
extern int Image$$ER_IROM1$$Length;
extern int Load$$ER_IROM1$$Base;
extern int Image$$RW_IRAM1$$Base;
extern int Image$$RW_IRAM1$$Length;
extern int Load$$RW_IRAM1$$Base;
extern int Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Base;
extern int Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Length;
void relocate_c(void)
{
/*代码段重定位*/
memcpy(&Image$$ER_IROM1$$Base, &Load$$ER_IROM1$$Base, &Image$$ER_IROM1$$Length);
/*RW-data重定位*/
memcpy(&Image$$RW_IRAM1$$Base, &Load$$RW_IRAM1$$Base, &Image$$RW_IRAM1$$Length);
/*清除ZI段*/
memset(&Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Base, 0, &Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Length);
}
五、程序是否需要加载到RAM中？
4.1 单片机
1、把程序从flash加载到RAM需要bootloader，（其实程序也可以直接下载到RAM中运行，只不过重启程序就没有了。
2、单片机RAM较小程序太多无法加载全部程序。
3、单片机执行分三个步骤：取指令，分析指令，执行指令。取指令任务是根据PC值从地址总线上读出指令。虽然从RAM取指令速度远大于ROM，但单片机自身运行速度不高，所以程序放在哪里没有太大影响。
4.2 运行Linux系统
linux程序比较大，很少用norflash储存程序，而是用nandFlash或sd储存，这类储存不符合CPU 的指令译码执行要求。
运行linux系统的cpu，其运行频率非常高，远大于ROM读写速度，从ROM取指会严重影响速度。故系统会把程序拷贝到RAM执行。
所有运行Linux系统时程序必须加载到RAM
六、参考文章
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(7条消息) STM32启动详细流程之__main_非常规自我实现的博客-CSDN博客
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欢迎阅读《MDK的编译过程及文件类型全解》文档-by 秉火 — FLASH 1.0 文档 (flash-rtd.readthedocs.io)
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