U-Boot移植過程中兩種代碼重定位技術(shù)研究

郭國法，董輝，張開生

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，西安 710021)

U-Boot移植過程中兩種代碼重定位技術(shù)研究

郭國法，董輝，張開生

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，西安 710021)

針對ARM架構(gòu)的U-Boot移植過程中處理器種類繁多、啟動方式多樣化這一問題，提出了兩種代碼重定位技術(shù)。該代碼重定位技術(shù)實現(xiàn)了在任何一種存儲器上均能夠啟動U-Boot程序，并對兩種技術(shù)進行了比較。實驗表明，選擇使鏈接地址固定的代碼重定位技術(shù)可以實現(xiàn)U-Boot的高效移植。

嵌入式系統(tǒng)；U-Boot；代碼重定位技術(shù)；移植

引 言

嵌入式Linux系統(tǒng)包括BootLoader、內(nèi)核、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序。上電或復(fù)位后，首先執(zhí)行的是BootLoader程序,BootLoader初始化硬件設(shè)備，創(chuàng)建好C程序運行環(huán)境，然后引導(dǎo)內(nèi)核，內(nèi)核啟動后掛接文件系統(tǒng)，最后啟動init進程，執(zhí)行應(yīng)用程序。對于嵌入式系統(tǒng)，BootLoader依賴于實際的硬件和應(yīng)用環(huán)境，因此要為嵌入式系統(tǒng)建立一個通用、標(biāo)準(zhǔn)的BootLoader是非常困難的。不過，大部分BootLoader仍然具有很多共性，某些BootLoader也能夠支持多種體系結(jié)構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)。例如U-Boot同時支持PowerPC、ARM、MIPS和X86等體系結(jié)構(gòu)，支持的開發(fā)板有上百種。通常，它們能夠自動從存儲介質(zhì)上啟動，引導(dǎo)操作系統(tǒng)啟動，并且大部分可以支持串口和以太網(wǎng)接口。

1 U-Boot的概述

U-Boot是由開源項目PPCBoot發(fā)展起來的，ARMboot并入了PPCBoot，PPCBoot和其他一些架構(gòu)的BootLoader合稱U-Boot。U-Boot的功能強大，涵蓋了絕大部分處理器構(gòu)架，提供大量外設(shè)驅(qū)動，支持多個文件系統(tǒng)，附帶調(diào)試、腳本、引導(dǎo)等工具，特別支持Linux，為板級移植做了大量的工作。

U-Boot啟動分為兩個階段。第一階段主要包含依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的硬件初始化代碼，通常都用匯編語言來實現(xiàn)。第二階段通常用C語言完成，以便實現(xiàn)更復(fù)雜的功能，也使程序有更好的可讀性和可移植性，最終調(diào)用內(nèi)核。

第一階段包括：① 硬件設(shè)備初始化；② 加載U-Boot第二階段代碼到RAM空間；③ 設(shè)置棧；④ 跳轉(zhuǎn)到第二階段代碼入口。

第二階段包括：① 初始化本階段使用的硬件設(shè)備；② 檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射；③ 將內(nèi)核從Flash讀取到RAM中；④ 為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)；⑤ 調(diào)用內(nèi)核。

2 代碼重定位技術(shù)

2.1 代碼重定位技術(shù)由來

什么是代碼重定位？在嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電后，將代碼從一個存儲區(qū)域拷貝到另一個存儲區(qū)域，然后跳轉(zhuǎn)到拷貝的那個存儲區(qū)域執(zhí)行代碼，這就是代碼重定位。ARM系列的處理器支持多種啟動方式[2]，包括NAND Flash，NOR Flash，eMMC，SD卡啟動，如圖1所示。

圖1 ARM存儲器結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)上電或復(fù)位后，其過程如圖2所示，U-Boot程序把自身的程序從存儲介質(zhì)拷貝到片外SDRAM，跳轉(zhuǎn)到SDRAM執(zhí)行U-Boot程序，然后引導(dǎo)操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)掛接根文件系統(tǒng)，最后執(zhí)行應(yīng)用程序。可見ARM架構(gòu)處理器的U-Boot移植中都涉及到代碼重定位問題。

圖2 系統(tǒng)從上電或復(fù)位到執(zhí)行應(yīng)用程序的過程

2.2 ARM架構(gòu)微處理器兩種啟動方式

CPU上電或復(fù)位后首先執(zhí)行0地址處的代碼，按照0地址所在RAM是否在CPU內(nèi)部，將啟動方式分為兩類:片外0地址啟動方式,NOR Flash啟動；片內(nèi)iRAM起始地址啟動方式,NAND Flash、eMMC、SD卡啟動。現(xiàn)結(jié)合ARM9 架構(gòu)的S3C2440芯片對兩種啟動方式做介紹。

2.2.1 片內(nèi)iRAM起始地址啟動方式

ARM架構(gòu)微處理器大多采用統(tǒng)一編址方式，部分處理器的片內(nèi)iRAM起始地址不是0，之所以不是從0開始，是因為0地址開始是廠家固化好的一段引導(dǎo)程序，就是圖2中處理器自動完成部分，為了統(tǒng)一，統(tǒng)稱為片內(nèi)iRAM起始地址啟動方式，除了NOR Flash啟動外，其他啟動方式都是片內(nèi)iRAM起始地址啟動方式。以NAND Flash為例，NAND Flash可以存儲程序，要執(zhí)行程序唯一的方法就是把程序讀到RAM中，然后在RAM執(zhí)行程序。對于S3C2440處理器，當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位后，芯片內(nèi)部固化的程序判斷是從NAND Flash啟動，然后把NAND Flash的前4 KB內(nèi)容拷貝到片內(nèi)iRAM，從片內(nèi)iRAM的0地址處開始執(zhí)行U-Boot程序。U-Boot程序里面的代碼重定位程序會將NOR Flash中的U-Boot程序整個拷貝到片外RAM(SDARM)中去，清除bss段，bss段在程序運行時存放未初始化的全局變量，然后將程序指針指向外部RAM(SDARM)中執(zhí)行程序，即完成重定位功能。

移植支持NAND Flash啟動的U-Boot,其難點在于片內(nèi)iRAM的大小只有4 KB，而一般編譯出來的uboot.bin文件的大小從150 KB到350 KB大小不等，肯定大于RAM自帶的4 KB空間，所以就把CPU初始化代碼和重定位代碼鏈接到U-Boot程序的最前面4 KB，并且匯編部分都使用位置無關(guān)代碼，所以重定位功能必須在U-Boot程序的前4 KB代碼完成。

2.2.2 片外0地址啟動方式

NOR Flash可以像內(nèi)存一樣讀，但是不能像內(nèi)存一樣寫，所以程序可以在NOR Flash上執(zhí)行[3]。對于S3C2440處理器，當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位后，芯片內(nèi)部固化的程序判斷是從NOR Flash啟動，然后從0地址處開始執(zhí)行程序。由于NOR Flash不能像內(nèi)存一樣寫, 而且我們的目的是讓U-Boot程序在片外RAM(SDARM)中運行，所以NOR Flash也需要代碼重定位。代碼重定位程序會將NOR Flash 中的U-Boot程序整個拷貝到片外RAM(SDARM)中去，清除bss段,然后將程序指針指向外部RAM(SDARM)中執(zhí)行程序,完成代碼重定位。

3 兩種代碼重定位技術(shù)介紹

這里介紹兩種代碼重定位技術(shù):一種是在Makefile[4]編譯前把鏈接地址固定；另一種是先把U-Boot代碼拷貝到SDRAM中，然后程序自己修改鏈接地址，現(xiàn)分別對這兩種方法做介紹。

3.1 固定鏈接地址的代碼重定位技術(shù)

鏈接地址是程序?qū)嶋H運行的地址。將U-Boot程序拷貝到鏈接地址的起始地址處，然后執(zhí)行“l(fā)dr pc,=_start_armboot”，程序會跳轉(zhuǎn)到SDRAM執(zhí)行U-Boot程序。主要解決以下問題：從什么地方拷貝？拷貝多大？拷貝到什么地方去？如何拷貝？下面針對這些問題對固定鏈接地址的U-Boot代碼重定位方法做論述。

① 首先將鏈接地址設(shè)置為片外RAM中的某個地址值，由于U-Boot的版本差別，其修改方法也不一樣，對于U-Boot201003，在board目錄下開發(fā)板目錄里面的config.mk文件，有一行內(nèi)容“TEXT_BASE=0x33F0 0000”，意思是鏈接地址的起始地址是0x33F0 0000，也就是U-Boot在SDRAM里面的起始地址是0x33F0 0000。

② 完成拷貝函數(shù)，拷貝函數(shù)從存儲器把U-Boot程序拷貝到SDRAM的0x33F0 0000地址處，由于拷貝過程太復(fù)雜，所以用C語言完成。C語言運行需要棧，先設(shè)置棧，棧的設(shè)置比較靈活，就是把sp指針指向一塊沒有使用的內(nèi)存[5]，因為iRAM大小只有4 KB，SDRAM要64 MB，顯然要把棧設(shè)置到SDRAM，設(shè)置好棧后就可以由匯編跳轉(zhuǎn)到C語言來執(zhí)行拷貝函數(shù)了。

③ 修改鏈接腳本，對于NAND Flash啟動，要考慮第一階段代碼小于4 KB。上面講過方法，就是修改鏈接腳本，把第一階段用到的.o目標(biāo)文件放在前面4 KB，最后把生成的U-Boot二進制文件反匯編，鏈接起始地址0x33F0 0000加4 KB等于0x33F0 1000，觀察U-Boot第一階段用到的函數(shù)是不是都小于0x33F0 1000，要是小于，則鏈接腳本修改正確。

④ 前4 KB內(nèi)容必須使用位置無關(guān)代碼[6]完成，所謂位置無關(guān)代碼就是不管這條指令是在0地址還是其他地址執(zhí)行，都能跳轉(zhuǎn)到指定的位置。那么這條指令就是位置無關(guān)代碼。

通過上述步驟可以得知，拷貝函數(shù)從存儲器的0地址開始拷貝uboot.bin文件，拷貝到SDRAM的0x33F0 0000處，拷貝大小為從uboot.bin文件的__bss_start段鏈接地址減去.text段鏈接地址。

固定鏈接地址的重定位代碼分析：

#define CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR 0X30000f80

ldr sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)

bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */

bl nand_init_ll

mov r0, #0 //源

ldr r1, _TEXT_BASE //目的

ldr r2, _bss_start_ofs //大小

bl copy_code_to_sdram

ldr pc, =_start_armboot

首先宏定義了棧的地址，然后把sp指針指向該地址，bic sp、sp、#7指令使得sp以8字節(jié)對齊；相對跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)到C語言nand_init_ll程序，完成NAND Flash初始化；然后給r0、r1、r2寄存器賦值作為下一步copy_code_to_sdram函數(shù)的參數(shù)，相對跳轉(zhuǎn)指令bl跳轉(zhuǎn)執(zhí)行copy_code_to_sdram函數(shù)，完成uboot.bin拷貝到SDRAM；最后一條指令ldr pc, =_start_armboot在下一個機器周期到來后跳轉(zhuǎn)到SDRAM的_start_armboot執(zhí)行U-Boot第二階段[7]。

3.2 修改鏈接地址的代碼重定位技術(shù)

U-Boot的鏈接地址是0，程序運行時訪問全局變量、靜態(tài)變量，調(diào)用函數(shù)所使用的地址是“基于0地址編譯得到的地址”。現(xiàn)在把程序復(fù)制到SDRAM需要修改代碼，把“基于0地址編譯得到的地址”修改為基于新地址。

程序里面有些地址在鏈接時候不能確定，要到運行前才能確定。此處用到的方法就是修改代碼，讓函數(shù)使用新地址。比如，原來程序的鏈接地址是0，變量的地址是0x100，復(fù)制程序到SDRAM的地址0x3200 0000，那么變量的鏈接地址就要做相應(yīng)的修改，把0x100改為0x3200 0100，這樣程序在0x3200 0100地址處便能找到這個變量[1]，過程可以表示為：

舊鏈接地址+拷貝目的地址=新鏈接地址

那么如何知道舊地址存在哪里？編譯u-boot.bin的時候加-pie選項，就會生成地址信息[8]，存在“.rel”、“dynsym”這些段里，U-Boot程序運行的時候就根據(jù)這些段里的信息修改代碼。把生成的ELF格式的可執(zhí)行文件U-Boot用arm-linux-objdump-Du-boot>u-boot.dis命令反匯編，生成u-boot.dis文件，找到.rel段，如圖3所示。從圖中可以看出，rel段的起始位置為_ _rel_dyn_start，中間每隔一行有一個標(biāo)記位0x17，每行為32個二進制位，占4個字節(jié)，重定位函數(shù)里面修改代碼算法就是根據(jù)這些特點修改U-Boot.bin程序的。

圖3 反匯編代碼里的部分.rel段

在U-Boot-2012.03中使用的代碼重定位函數(shù)為Relocate_code(addr_sp，id，addr)，該函數(shù)有3個參數(shù)，分別是addr_sp、id和addr，其中addr_sp為棧的地址，id為gd_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)地址，addr為拷貝到SDARM的目的地址。

圖4 修改uboot.bin 文件原理圖

修改部分的代碼由匯報指令完成，現(xiàn)將其原理做簡單介紹。如圖4所示，為了說明修改算法原理，列舉兩個變量*A和D，指針變量A等于_ _rel_dyn_start_ofs的鏈接地址，D為A所指向的地址處的數(shù)值，V為偏移值，其值等于把u_boot拷貝到SDRAM的目的地址，給A加上偏移得到新的鏈接地址，然后把舊的值B賦給新的地址，一直循環(huán)，直到A等于_ _dyn_end_ofs，完成u_boot代碼修改。

3.3 兩種技術(shù)比較

上面介紹的兩種代碼的重定位技術(shù)各有優(yōu)劣。固定鏈接地址的代碼重定位技術(shù)相比修改鏈接地址的代碼重定位技術(shù)代碼簡單，便于移植。然而修改鏈接地址的代碼重定位技術(shù)可以把uboot.bin文件復(fù)制到SDARM的任何地方，但是代碼很復(fù)雜，加-pie選項使得程序龐大，不利于NAND Flash啟動。綜合以上分析，推薦使用第一種方法完成代碼重定位。

3.4 S3C2440平臺上U-Boot移植

結(jié)合以上分析，使用固定鏈接地址的代碼重定位技術(shù)，并選擇交叉編譯工具鏈arm-Linux-gcc4.3.2在Ubuntu16上對mini2440進行了U-Boot移植。按照第3.1節(jié)的步驟完成代碼重定位部分代碼，并修改時鐘和串口初始化函數(shù)，使其支持DM9000網(wǎng)卡，圖 5為NOR Flash啟動的U-Boot界面。

圖5 NOR Flash啟動的U-boot界面

結(jié) 語

[1] 韋東山.嵌入式Linux 應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京:人民郵電出版社,2008:242-243.

[2] 田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010:19-21,83-190.

[3] 周書林,邱磊,唐桂軍.同時支持Nand Flash和Nor Flash啟動的啟動加載程序設(shè)計實現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(2):17-21.

[4] 柯敏毅,劉文鎖.BootLoader下Makefile文件的分析研究[J].計算機與信息技術(shù),2009,22(1):84.

[5] Lukasz Czech.On dynamics of automata with a stack[J].International Journal of Computer Mathematics,2015,92(3):486-497.

[6] 黃振華,李外云,劉錦高.ARM的位置無關(guān)程序設(shè)計在BootLoader中的應(yīng)用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008,8(1):22-25.

[7] 盧偉,潘煉.U-Boot在S3C2440上的移植[J].微型機與應(yīng)用,2010,29(24):4-11.

[8] angrad.u-boot2012.04.01移植到mini2440[EB/OL].[2017-02].http:∥blog.chinaunix.net/uid-22609852-id-3515982.html.

郭國法(教授)，主要研究方向為電氣控制方面的研究；董輝(在讀碩士)，主要研究方向為嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用；張開生(教授)，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。

Research on Two Kinds of Code Relocation Technique in U-Boot

Guo Guofa,Dong Hui,Zhang Kaisheng

(College of Electrical and Information Engineering,Shanxi University of Science and Technology,Xi'an 710021,China)

Aiming at the problem that the ARM processor has a wide variety of processors and the diversity of the boot mode in the process of U-Boot porting,two kinds of code relocation technology are proposed.It is achieved that each memory can start the U-Boot program,which is compared with the other.The experiment results show that the code relocation technique to fix the link address can realize the efficient transplantation of U-Boot.

embedded system;U-Boot;code repositioning technology;transplantation

TP277

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2017-02-20)