位置無關碼、位置有關碼、連結位址、加載位址

在移植 uboot 時，接觸到一個概念叫做位置無關碼，那麼與它對應的就是位置有關碼。提到這兩個概念就還得提一提連結位址、加載位址。

連結位址，連結腳本裡指定的，理論上程式運作時所處的位址。在編譯時，編譯器會根據連結位址來翻譯位置有關碼。

加載位址，程式運作時，實際所處的位址。

位置無關碼，位置有關碼，是相對于一條指令的正常目的來說的。比如 ldr r0 ,=标号，它的正常目的是取得标号處的位址，對于這個目的，它是位置有關碼，運作的位址不對就擷取不到正确的标号位址，其實它無論在哪都是擷取的程式加載位址等于連結位址時，标号的位址，如果你就是想要這個值，那麼用這條指令是非常正确的，就不用理會什麼位置無關碼，位置有關碼的概念了，這一點非常重要。

是以，當加載位址不等于連結位址時，并不是不可以用位置無關碼，而是要看你用位置無關碼是否達到了你想要的目的。

位置無關碼，依賴于程式目前運作的PC值，進行相對的跳轉，導緻的結果就是，無論代碼在哪，總能達到指令的正常目的，是以是位置無關的。

位置有關碼，不依賴目前PC值，是絕對跳轉，隻有程式運作在連結位址處時，才能達到指令的正常目的，是以是位置有關系的。

下面，我們來看常用的彙編指令以及C語言中哪些操作是位置有關碼，哪些是位置無關碼。

SECTIONS {
    . = 0x33f80000;
    .text : { *(.text) }
    
    . = ALIGN(4);
    .rodata : {*(.rodata*)} 
    
    . = ALIGN(4);
    .data : { *(.data) }
    
    . = ALIGN(4);
    __bss_start = .;
    .bss : { *(.bss)  *(COMMON) }
    __bss_end = .;
}

.text
.global _start
_start:

	bl close_watch_dog		/* 相對跳轉，位置無關 */
	bl _start
	adr r0, close_watch_dog	/* 擷取标号位址，位置無關 */
	
	ldr r0, SMRDATA			/* 擷取标号處的值，位置無關 */

	ldr r0, =0x12345678
	ldr r0, =SMRDATA        /* 擷取标号位址，位置有關 */
	ldr r0, =main			/* 擷取函數名的位址，位置有關 */
	ldr r0 ,=__bss_start	/* 擷取連結腳本裡标号的位址，位置有關 */

	
close_watch_dog:
	mov r1, #0
	str r1, [r0]
	mov pc, lr
	
SMRDATA:
    .word  0x22111120

int a;
void abc(){
	a = 2;
}
int main(){
	int b;
	a =1 ;
	b =1 ;
	abc();
	return 0;
}

如果加載位址為 0 ，那麼代碼将按照下面的順序排放

00000000 <_start>:
00000000:	eb000006 	bl	33f80020 <close_watch_dog>
00000004:	ebfffffd 	bl	33f80000 <_start>
00000008:	e28f0010 	add	r0, pc, #16
0000000c:	e59f0018 	ldr	r0, [pc, #24]	; 
00000010:	e59f0018 	ldr	r0, [pc, #24]	; 
00000014:	e59f0018 	ldr	r0, [pc, #24]	; 
00000018:	e59f0018 	ldr	r0, [pc, #24]	; 
0000001c:	e59f0018 	ldr	r0, [pc, #24]	; 

00000020 <close_watch_dog>:
00000020:	e3a01000 	mov	r1, #0
00000024:	e5801000 	str	r1, [r0]
00000028:	e1a0f00e 	mov	pc, lr

0000002c <SMRDATA>:
0000002c:	22111120 	andscs	r1, r1, #8
00000030:	12345678 	eorsne	r5, r4, #125829120	; 0x7800000
00000034:	33f8002c 	mvnscc	r0, #44	; 0x2c
00000038:	33f80064 	mvnscc	r0, #100	; 0x64
0000003c:	33f800a0 	mvnscc	r0, #160	; 0xa0

00000040 <abc>:
00000040:	e52db004 	push	{fp}		; (str fp, [sp, #-4]!)
00000044:	e28db000 	add	fp, sp, #0
00000048:	e59f3010 	ldr	r3, [pc, #16]	; 33f80060 <abc+0x20>
0000004c:	e3a02002 	mov	r2, #2
00000050:	e5832000 	str	r2, [r3]
00000054:	e28bd000 	add	sp, fp, #0
00000058:	e8bd0800 	pop	{fp}
0000005c:	e12fff1e 	bx	lr
00000060:	33f800a0 	mvnscc	r0, #160	; 0xa0

00000064 <main>:
00000064:	e92d4800 	push	{fp, lr}
00000068:	e28db004 	add	fp, sp, #4
0000006c:	e24dd008 	sub	sp, sp, #8
00000070:	e59f3024 	ldr	r3, [pc, #36]	; 33f8009c <main+0x38>
00000074:	e3a02001 	mov	r2, #1
00000078:	e5832000 	str	r2, [r3]
0000007c:	e3a03001 	mov	r3, #1
00000080:	e50b3008 	str	r3, [fp, #-8]
00000084:	ebffffed 	bl	33f80040 <abc>
00000088:	e3a03000 	mov	r3, #0
0000008c:	e1a00003 	mov	r0, r3
00000090:	e24bd004 	sub	sp, fp, #4
00000094:	e8bd4800 	pop	{fp, lr}
00000098:	e12fff1e 	bx	lr
0000009c:	33f800a0 	mvnscc	r0, #160	; 0xa0

如果加載位址為0x33f80000 則按照下邊的順序排放

33f80000 <_start>:
33f80000:	eb000006 	bl	33f80020 <close_watch_dog>
33f80004:	ebfffffd 	bl	33f80000 <_start>
33f80008:	e28f0010 	add	r0, pc, #16
33f8000c:	e59f0018 	ldr	r0, [pc, #24]	; 33f8002c <SMRDATA>
33f80010:	e59f0018 	ldr	r0, [pc, #24]	; 33f80030 <SMRDATA+0x4>
33f80014:	e59f0018 	ldr	r0, [pc, #24]	; 33f80034 <SMRDATA+0x8>
33f80018:	e59f0018 	ldr	r0, [pc, #24]	; 33f80038 <SMRDATA+0xc>
33f8001c:	e59f0018 	ldr	r0, [pc, #24]	; 33f8003c <SMRDATA+0x10>

33f80020 <close_watch_dog>:
33f80020:	e3a01000 	mov	r1, #0
33f80024:	e5801000 	str	r1, [r0]
33f80028:	e1a0f00e 	mov	pc, lr

33f8002c <SMRDATA>:
33f8002c:	22111120 	andscs	r1, r1, #8
33f80030:	12345678 	eorsne	r5, r4, #125829120	; 0x7800000
33f80034:	33f8002c 	mvnscc	r0, #44	; 0x2c
33f80038:	33f80064 	mvnscc	r0, #100	; 0x64
33f8003c:	33f800a0 	mvnscc	r0, #160	; 0xa0

33f80040 <abc>:
33f80040:	e52db004 	push	{fp}		; (str fp, [sp, #-4]!)
33f80044:	e28db000 	add	fp, sp, #0
33f80048:	e59f3010 	ldr	r3, [pc, #16]	; 33f80060 <abc+0x20>
33f8004c:	e3a02002 	mov	r2, #2
33f80050:	e5832000 	str	r2, [r3]
33f80054:	e28bd000 	add	sp, fp, #0
33f80058:	e8bd0800 	pop	{fp}
33f8005c:	e12fff1e 	bx	lr
33f80060:	33f800a0 	mvnscc	r0, #160	; 0xa0

33f80064 <main>:
33f80064:	e92d4800 	push	{fp, lr}
33f80068:	e28db004 	add	fp, sp, #4
33f8006c:	e24dd008 	sub	sp, sp, #8
33f80070:	e59f3024 	ldr	r3, [pc, #36]	; 33f8009c <main+0x38>
33f80074:	e3a02001 	mov	r2, #1
33f80078:	e5832000 	str	r2, [r3]
33f8007c:	e3a03001 	mov	r3, #1
33f80080:	e50b3008 	str	r3, [fp, #-8]
33f80084:	ebffffed 	bl	33f80040 <abc>
33f80088:	e3a03000 	mov	r3, #0
33f8008c:	e1a00003 	mov	r0, r3
33f80090:	e24bd004 	sub	sp, fp, #4
33f80094:	e8bd4800 	pop	{fp, lr}
33f80098:	e12fff1e 	bx	lr
33f8009c:	33f800a0 	mvnscc	r0, #160	; 0xa0

Disassembly of section .bss:

33f800a0 <a>:
33f800a0:	00000000 	andeq	r0, r0, r0

一、B BL指令

bl close_watch_dog

33f80000:eb000006bl33f80020

b 是相對跳轉：PC + 偏移值（PC值等于目前位址+8）

偏移值：機器碼 0xeb000006 低 24位 0x000006 按符号為擴充為 32 位 0x00000006 正數，向後跳轉 0x6 個 4位元組也就是 0x1c

1、加載位址0：0 + 8 + 0x1c = 0x20 正确跳轉

2、加載位址0x3ff80000:0x3ff80000 + 8 + 0x1c = 0x33f80020 正确跳轉

bl _start

33f80004:ebfffffdbl33f80000 <_start>

偏移值：機器碼 0xebfffffd 低 24位 fffffd 按符号位擴充為 32 位 0xfffffffd 負數(-3)，向前跳轉 0x3 個 4位元組也就是 0xc

1、加載位址0：4 + 8 - 0xc = 0 正确跳轉

2、加載位址0x3ff80000:0x3ff80004 + 8 + 0xc = 0x33f80000 正确跳轉

通過以上分析，我們知道B是相對跳轉，位置無關碼，也可以知道為什麼32為arm指令集，B的範圍為正負32M了，24位去掉1位符号位，恰好等于32M。

二、ADR

adr r0, close_watch_dog

33f80008: e28f0010addr0, pc, #16

1、加載位址0：0 + 8 + 16 = 0x20 正确

2、加載位址0x3ff80000:0x3ff80008 + 8 + 16 = 0x33f80020 正确

adr 擷取的是标号處的“實際”位址，标号在哪就是哪個位址，跟位置無關，總能獲得想要的值。

三、LDR

ldr r0, SMRDATA

33f8000c:e59f0018ldrr0, [pc, #24]; 33f8002c <SMRDATA>

1、加載位址0：r0 = c + 8 + 24 = 0x2c 處的值 0x22111120 正确

2、加載位址0x3ff80000:r0 = 0x3ff8000c + 8 + 24 = 0x33f8002c處的值 0x22111120 正确

ldr r0, =0x12345678

33f80010: e59f0018ldrr0, [pc, #24]; 33f80030 <SMRDATA+0x4>

1、加載位址0：r0 = 0x10 + 8 + 24 = 0x30 處的值 0x12345678 正确

2、加載位址0x3ff80000:r0 = 0x3ff80010 + 8 + 24 = 0x33f80030處的值 0x12345678 正确

ldr r0, =SMRDATA

33f80014: e59f0018ldrr0, [pc, #24]; 33f80034 <SMRDATA+0x8>

1、加載位址0：r0 = 0x14 + 8 + 24 = 0x34 處的值 33f8002c 與标号實際位址（2c）不符合，不正确

2、加載位址0x3ff80000:r0 = 0x3ff80014 + 8 + 24 = 0x33f80034 處的值 33f8002c 正确

ldr r0, =main

ldr r0 ,=__bss_start

這倆和 ldr r0, =SMRDATA 一緻，位置有關，在0位址處運作不正确。

四、C函數

1、全局變量

00000040 <abc>:
00000040:	e52db004 	push	{fp}		; (str fp, [sp, #-4]!)
00000044:	e28db000 	add	fp, sp, #0
00000048:	e59f3010 	ldr	r3, [pc, #16]	; 33f80060 <abc+0x20>
0000004c:	e3a02002 	mov	r2, #2
00000050:	e5832000 	str	r2, [r3]
00000054:	e28bd000 	add	sp, fp, #0
00000058:	e8bd0800 	pop	{fp}
0000005c:	e12fff1e 	bx	lr
00000060:	33f800a0 	mvnscc	r0, #160	; 0xa0

000000a0 <a>:
000000a0:	00000000 	andeq	r0, r0, r0

33f80040 <abc>:
33f80040:	e52db004 	push	{fp}		; (str fp, [sp, #-4]!)
33f80044:	e28db000 	add	fp, sp, #0
33f80048:	e59f3010 	ldr	r3, [pc, #16]	; 33f80060 <abc+0x20>
33f8004c:	e3a02002 	mov	r2, #2
33f80050:	e5832000 	str	r2, [r3]
33f80054:	e28bd000 	add	sp, fp, #0
33f80058:	e8bd0800 	pop	{fp}
33f8005c:	e12fff1e 	bx	lr
33f80060:	33f800a0 	mvnscc	r0, #160	; 0xa0

33f800a0 <a>:
33f800a0:	00000000 	andeq	r0, r0, r0

r3 為全局變量 a 的位址，a 是存放在 0起始的位址還是0x33f80000起始的位址，它都認為 a 的位址是 0x33f800a0 。是以，C函數中調用全局變量是位置有關碼。

2、函數調用

33f80084:ebffffedbl33f80040 <abc>

由于 main 函數和 abc 函數挨得比較近，在32M範圍之内，是以被翻譯成了一條 bl 指令，那麼與位置無關。

如果，調用的函數比較遠，大于32M的話，我認為是與位置有關系的，這個不再驗證了。

3、局部變量

局部變量在函數剛開始的地方被壓入棧，指派語句被翻譯成：

33f8007c: e3a03001movr3, #1

33f80080: e50b3008 str r3, [fp, #-8]

位置無關。

位置無關碼、位置有關碼、連結位址、加載位址

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