ARM Architecture C 语言寻址解析—— 从U-Boot relocation所展开的探索（二）

ARM  Architecture C语言寻址解析——
从U-Boot relocation所展开的探索（二）

by蔡于清

ARMArchitecture C语言PIC寻址方式解析
承前文所述，可不可以产生一种可以运行在任意地址段的代码呢？可以，这种代码被称之为Position-IndependentCode，简称PIC（windows DLL，Linux ShareObject，这两者就是典型的PIC文件）。那么如何产生PIC呢？可以通过为编译器指定编译选项产生，比如：
arm-none-eabi-gcc -c -o  -fpic  main.o main.c
又比如：
arm-none-eabi-gcc -c -o  -fpie  main.o main.c
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，比如：
arm-none-eabi-ld -Tarm_pic.lds main.o -o arm_pic  -pie

PIC可运行文件的一个最重要特点就是——这种文件里包含一个Global OffsetTable，简称GOT。每一个GOT Entry记录了一个对象的地址（对象可以是全局变量或函数），CPU从GOT中读取GOTEntry从而获得全局变量的地址。

下面讨论指定了 -fpic编译选项 和 -pie连接选项 所产生的代码是如何寻址的。

命令行进入arm_pic目录，make GCC_PIC=-fpicLD_PIC=-pie，得到以下文件：arm_pic（elf格式文件）

1. arm_pic.bin（二进制镜像文件）
2. arm_pic.dump（反汇编文件）
3. arm_pic.map（Memory Map文件）

从arm_pic.dump可见，出现了.got数据段，这一份GOT包含6个Entry，基地址为0x402001d0，6个Entry标示出6个全局变量的地址。

接下来通过main函数分析PIC寻址，main函数反汇编代码如下图所示：

与上一篇文章分析的汇编代码不同，现在Lable里面存放的已经不是地址值，而是偏移量（offset）。global_var1的寻址经过如下3个步骤（global_str的寻址方式也是如此）：

1. r3通过Lable1取得GOT Base相对pc的offset，从而确定GOT Base的地址；
2. r2通过Lable2取得global_var1 GTO Entry相对于GOT Base的offset；
3. r2 + r3累加（Base + offset）得到global_var1 GTOEntry的地址，从而取得global_var1的地址；
   
   

每一个变量的地址最终都是从GOT中获得，这就是PIC的寻址方式，也是它的核心，得到GOT的基地址，就能修改变量的地址从而对变量进行relocation（重定位）。

OK，跟上一篇文章所讨论一样，我们把arm_pic整体copy到0x80000000，同时，将GOT中每一个entry的内容累加上偏移量0x3fe00000，这样所有C全局变量的地址都被调整到新的地址（修改变量地址的这一操作被称之为relocation），main函数和foo函数中的变量寻址不会出错了，那么程序是不是就能正常运行了呢？还不行，为什么？GOT中保存的仅仅是C的变量地址和函数地址，但不要忘了，我们的工程不仅仅有C代码，还有汇编代码！那么汇编代码的对象是如何relocation呢？我们如何得到汇编代码中需要relocation的对象信息呢？答案在.rel.dyn数据段和.dynsym数据段，这部分将在下一篇文章中分析，同时也将具体分析U-Boot2011.12如何relocation。