ARM處理器的位置無(wú)關(guān)程序設計

ARM處理器支持位置無(wú)關(guān)的程序設計，這種程序加載到存儲器的任意地址空間都可以正常運行，其設計方法在嵌入式應用系統開(kāi)發(fā)中具有重要的作用。尤其在裸機狀態(tài)下開(kāi)發(fā)Bootloader程序及進(jìn)行內核初始化設計；利用位置無(wú)關(guān)的程序設計方法還可以在具體應用中用于構建高效率動(dòng)態(tài)鏈接庫，因而了解位置無(wú)關(guān)的程序設計方法，有助于開(kāi)發(fā)人員設計出結構簡(jiǎn)單、清晰的應用程序。

　　應用程序必須經(jīng)過(guò)編譯、匯編和鏈接后才變成可執行文件，在鏈接時(shí)，要對所有目標文件進(jìn)行重定位(relocatiON)，建立符號引用規則，同時(shí)為變量、函數等分配運行地址。當程序執行時(shí)，系統必須把代碼加載到鏈接時(shí)所指定的地址空間，以保證程序在執行過(guò)程中對變量、函數等符號的正確引用，使程序正常運行。在具有操作系統的系統中，重定位過(guò)程由操作系統自動(dòng)完成。

　　在設計Bootloader程序時(shí)，必須在裸機環(huán)境中進(jìn)行，這時(shí)Bootloader映像文件的運行地址必須由程序員設定。通常情況下，將Bootloader程序下載到ROM的0x0地址進(jìn)行啟動(dòng)，而在大多數應用系統中，為了快速啟動(dòng)，首先將Bootloader程序拷貝到SDRAM中再運行。一般情況下，這兩者的地址并不相同，程序在SDRAM中的地址重定位過(guò)程必須由程序員完成。實(shí)際上，由于Bootloader是系統上電后要執行的第一段程序，Bootloader程序的拷貝和在這之前的所有工作都必須由其自身來(lái)完成，而這些指令都是在ROM中執行的。也就是說(shuō)，這些代碼即使不在鏈接時(shí)所指定的運行時(shí)地址空間，也可以正確執行。這就是位置無(wú)關(guān)代碼，它是一段加載到任意地址空間都能正常執行的特殊代碼。

　　位置無(wú)關(guān)代碼常用于以下場(chǎng)合：

　　程序在運行期間動(dòng)態(tài)加載到內存；

　　程序在不同場(chǎng)合與不同程序組合后加載到內存(如共享的動(dòng)態(tài)鏈接庫)；

　　在運行期間不同地址相互之間的映射（如Bootloader程序）。

　　雖然在用GCC編譯時(shí)，使用-fPIC選項可為C語(yǔ)言產(chǎn)生位置無(wú)關(guān)代碼，但這并不能修正程序設計中固有的位置相關(guān)性缺陷。特別是匯編語(yǔ)言代碼，必須由程序員遵循一定的程序設計準則，才能保證程序的位置無(wú)關(guān)性。

　　ARM程序的位置無(wú)關(guān)可執行文件PIE（PositionIndependent Executable）包括位置無(wú)關(guān)代碼PIC和位置無(wú)關(guān)數據PID（PositionIndependent Data）兩部分。

　　PID主要針對可讀寫(xiě)數據段（.data段），其中保存已賦初值的全局變量。為實(shí)現其位置無(wú)關(guān)性，通常使用寄存器R9作為靜態(tài)基址寄存器，使其指向該可讀寫(xiě)段的首地址，并使用相對于基址寄存器的偏移量來(lái)對該段的變量進(jìn)行尋址。這種方法常用于為可重入程序的多個(gè)實(shí)例產(chǎn)生多個(gè)獨立的數據段。在程序設計中，一般不必考慮可讀寫(xiě)段的位置無(wú)關(guān)性，這主要是因為可讀寫(xiě)數據主要分配在SDRAM中。

　　PIC包括程序中的代碼和只讀數據（.text段），為保證程序能在ROM和SDRAM空間都能正確運行（如裸機狀態(tài)下的Bootloader程序），必須采用位置無(wú)關(guān)代碼程序設計。

　　PIC遵循只讀段位置無(wú)關(guān)ROPI（ReadOnly Position Independence）的ATPCS（ARMThumb Procedure Call STandard）的程序設計規范：

程序設計規范#e#

　?。?） 程序設計規范1

　　引用同一ROPI段或相對位置固定的另一ROPI段中的符號時(shí)，必須是基于PC的符號引用，即使用相對于當前PC的偏移量來(lái)實(shí)現跳轉或進(jìn)行常量訪(fǎng)問(wèn)。

　?、?位置無(wú)關(guān)的程序跳轉。在A(yíng)RM匯編程序中，使用相對跳轉指令B/BL實(shí)現程序跳轉。指令中所跳轉的目標地址用基于當前PC的偏移量來(lái)表示，與鏈接時(shí)分配給地址標號的絕對地址值無(wú)關(guān)，因而代碼可以在任何位置進(jìn)行跳轉，實(shí)現位置無(wú)關(guān)性。

　　另外，還可使用ADR或ADRL偽指令將地址標號值讀取到PC中實(shí)現程序跳轉。這是因為ADR或ADRL等偽指令會(huì )被編譯器替換為對基于PC的地址值進(jìn)行操作，但這種方式所能讀取的地址范圍較小，并且會(huì )因地址值是否為字對齊而異。

　　但在A(yíng)RM程序中，使用LDR等指令直接將地址標號值讀取到PC中實(shí)現程序跳轉不是位置無(wú)關(guān)的。例如：　　LDR PC, =main

　　上面的偽指令編譯后的結果為：　　LDR PC, [PC, OFFSET_TO_LPOOL]

　　?　　 LPOOL

　　DCD main

　　可見(jiàn)，雖然LDR是把基于PC的一個(gè)存儲單元LPOOL的內容加載到PC中，但該存儲單元中保存的卻是鏈接時(shí)所決定的main函數入口的絕對地址，所以main函數實(shí)際所在的段不是位置無(wú)關(guān)。

　?、?位置無(wú)關(guān)的常量訪(fǎng)問(wèn)。在應用程序中，經(jīng)常要讀寫(xiě)相關(guān)寄存器以完成必要的硬件初始化。為增強程序的可讀性，利用EQU偽指令對一些常量進(jìn)行賦值，但在訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程中，必須實(shí)現位置無(wú)關(guān)性。下面以PXA270的GPIO初始化介紹位置無(wú)關(guān)的常量訪(fǎng)問(wèn)方法。

　　GPIO_BASE EQU 0x40e00000;　GPIO基址寄存器地址

　　GPDR0 EQU 0x00c; 相對于GPIO基址寄存器的偏移量

　　init_GPDR0 EQU 0xfffbfe00; 寄存器GPDR0初值

　　LDR R1, =GPIO_BASE

　　LDR R0, =init_GPDR0

　　STR R0, [R1, #GPDR0]

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