uboot的relocation原理详细分析

http://blog.chinaunix.net/uid-24203478-id-3298210.html

最近在一直在做uboot的移植工作，uboot中有很多值得学习的东西，之前总结过uboot的启动流程，但uboot一个非常核心的功能没有仔细研究，就是uboot的relocation功能。

这几天研究下uboot的relocation功能，记录在此，跟大家共享。

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

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
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void test_func(void)

{

printf("test func\n");

}

static void * test_func_val = test_func;

static int test_val = 10;

void rel_dyn_test()

{

test_val = 20;

printf("test = 0x%x\n", test_func);

printf("test_func = 0x%x\n", 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
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80e9d3cc <test_func>:

80e9d3cc: e59f0000 ldr r0, [pc, #0] ; 80e9d3d4 <test_func+0x8>

80e9d3d0: eaffc2fb b 80e8dfc4 <printf>

80e9d3d4: 80eb1c39 .word 0x80eb1c39

80e9d3d8 <rel_dyn_test>:

80e9d3d8: e59f202c ldr r2, [pc, #44] ; 80e9d40c <rel_dyn_test+0x34>

80e9d3dc: e3a03014 mov r3, #20 ; 0x14

80e9d3e0: e92d4010 push {r4, lr}

80e9d3e4: e59f1024 ldr r1, [pc, #36] ; 80e9d410 <rel_dyn_test+0x38>

80e9d3e8: e5823000 str r3, [r2]

80e9d3ec: e59f0020 ldr r0, [pc, #32] ; 80e9d414 <rel_dyn_test+0x3c>

80e9d3f0: ebffc2f3 bl 80e8dfc4 <printf>

80e9d3f4: e59f301c ldr r3, [pc, #28] ; 80e9d418 <rel_dyn_test+0x40>

80e9d3f8: e59f001c ldr r0, [pc, #28] ; 80e9d41c <rel_dyn_test+0x44>

80e9d3fc: e5931000 ldr r1, [r3]

80e9d400: ebffc2ef bl 80e8dfc4 <printf>

80e9d404: e8bd4010 pop {r4, lr}

80e9d408: eaffffef b 80e9d3cc <test_func>

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
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80eb75c0 <test_val>:

80eb75c0: 0000000a .word 0x0000000a

。。。

[cpp] view
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80eaa54c <test_func_val>:

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的地址值

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
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# 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
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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

。。。

<span style="color:#FF0000;">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</span>

。。。。

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
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ENTRY(relocate_code)

ldr r1, =__image_copy_start /* r1 <- SRC &__image_copy_start */

subs r4, r0, r1 /* r4 <- relocation offset */

beq relocate_done /* skip relocation */

ldr r2, =__image_copy_end /* r2 <- SRC &__image_copy_end */

copy_loop:

ldmia r1!, {r10-r11} /* copy from source address [r1] */

stmia r0!, {r10-r11} /* copy to target address [r0] */

cmp r1, r2 /* until source end address [r2] */

blo copy_loop

/*

* fix .rel.dyn relocations

*/

ldr r2, =__rel_dyn_start /* r2 <- SRC &__rel_dyn_start */

ldr r3, =__rel_dyn_end /* r3 <- SRC &__rel_dyn_end */

fixloop:

ldmia r2!, {r0-r1} /* (r0,r1) <- (SRC location,fixup) */

and r1, r1, #0xff

cmp r1, #23 /* relative fixup? */

bne fixnext

/* relative fix: increase location by offset */

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
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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 : {

<pre name="code" class="cpp"> 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
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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
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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，修改之针对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！