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實驗環境

本實驗基于這樣的開發環境：在Ubuntu18.04.3發行版上使用編譯器arm-linux-gcc(arm-none-linux-gnueabi, 4.3.2 Sourcery G++ Lite 2008q3-72)編譯，并運行于S3C2440 ARM硬件平臺上。S3C2440是一款32位的ARM SoC。

鏈接(linking)

所謂鏈接，就是將各種代碼和數據部分收集起來并組合成一個單一文件的過程，這個單一文件可以被加載到存儲器內并被執行。鏈接既可以執行于編譯時，也可以執行于加載時，也可以執行于運行時。若執行于編譯時，則是由編譯器在將源代碼翻譯成機器碼時負責；若執行于加載時，則是由加載器(loader)把可執行程序加載到存儲器中時負責；若執行于運行時，則是由應用程序負責。通常情況下，鏈接是由鏈接器程序負責自動執行的。

目標文件

目標文件有三種類型：

可重定位目標文件

可執行目標文件

共享目標文件

其中編譯器生成可重定位目標文件（包括共享目標文件）。鏈接器生成可執行目標文件。

在不同的操作系統上，目標文件的格式都不相同。最早從貝爾實驗室誕生的第一個Unix系統使用的是a.out格式，所以直到今天，gcc默認生成的可執行文件的名字仍是a.out文件。System V Unix系統的早期版本使用的格式叫做一般目標文件格式（Common Object File Format，COFF）。Windows NT使用的就是COFF的一個變種，叫做可移植可執行（Portable Executable，PE）格式。而現代Unix系統（如Linux，還有System V Unix的后續版本，各種BSD Unix，以及Sun Solaris等系統），使用的是Unix可執行和可鏈接（Executable and Linkable Format，ELF）格式。

本實驗只討論ELF格式，但原理在本質上是相通的。下面開始介紹ELF格式文件。

ELF可重定位目標文件

在這里插入圖片描述

上圖展示的是一個典型的ELF可重定位目標文件的格式。

ELF頭、節頭部表

其中第一項的ELF頭，是一個16字節的序列。該序列描述了生成該文件的系統的字的大小和字節順序。而序列剩下的部分則包含了幫助鏈接器語法分析和解釋目標文件的信息。其中包括ELF頭的大小、目標文件的類型（如可重定位、可執行或者是共享的）、機器類型（如IA32）、節頭部表（section header table）的文件偏移，以及節頭部表中的條目大小和數量。不同節的位置和大小是由節頭部表描述的，其中目標文件中每一個節都有一個固定大小的條目（entry）。

在ELF頭和節頭部表之間的部分，都是節（section）。一個典型的ELF可重定位目標文件包括下面要介紹的幾個節。

.text

該節是已編譯程序的二進制機器代碼。

.rodata

只讀數據。比如printf語句中的格式字符串和switch語句的跳轉表。

.data

數據段。存儲的是已初始化過的全局變量。注意，對于C語言的局部變量，在運行時保存在棧中，它既不出現在.data段中，也不出現在.bss段中。

.bss

未初始化的全局變量或者初始化為0的全局變量。在目標文件中，.bss段并不占用實際的空間，只保存描述信息，僅作為一個占位符。未初始化或初始化為0的全局變量不需要占據任何實際的磁盤空間。

.symtab

符號表。存放程序中定義和引用的函數和全局變量的信息。一些程序員錯誤地認為，只有在編譯時使用了-g選項后，目標文件中才會得到符號表信息。實際上，每個可重定位目標文件在.symtab中都有一張符號表。注意，這里和編譯器中的符號表不同，.symtab中不包含局部變量的條目。

.rel.text

這是一個.text段位置的列表。當鏈接器把這個目標文件和其他文件結合在一起時，需要修改這些位置。一般而言，任何調用外部函數或者引用全局變量的指令都需要修改。另一方面，調用本地函數的指令則不需要修改。需要強調的一點是，對于可執行目標文件，其中并不需要重定位信息，因此通常會省略。

.rel.data

被模塊引用或定義的任何全局變量的重定位信息。

.debug

調試符號表。只有在編譯時添加-g選項才會得到這張表。

.line

原始C源代碼的行號，以及.text段中機器指令之間的映射關系。同樣，只有在編譯時使用-g選項才會得到這張表。

S3C2440地址映射圖

在這里插入圖片描述

s3c2440的NandFlash啟動與重定位

通常情況下，Nor Flash相對較昂貴，而Nand Flash和SDRAM則相加比較高。所以多數情況下，我們總是使用Nand Flash來存儲代碼并用來執行啟動代碼，同時使用SDRAM作為其余代碼的執行地方。

我們知道，Nand Flash并不支持CPU直接訪問。為了支持Nand方式啟動，S3C2440在SoC芯片內部內置了一塊大小為4KB的SRAM，并將這塊SRAM起名叫做起步石（SteppingStone）。當以Nand方式啟動時，硬件在復位過程中，會自動將Nand Flash前4KB的數據拷貝到起步石中，復位結束后，CPU會跳轉到0x0地址開始執行代碼。

由上圖可知，當我們將SoC的OM1和OM0兩個管腳置為0x00時，SoC就會以Nand方式啟動。此時0x0地址對應的正是起步石SRAM。所以此時就是從起步石開始執行代碼。而這4KB的代碼，我們就稱之為boot code。

Boot Code要做的工作，就是初始化必要的硬件，并將Nand Flash中剩余的代碼全部拷貝至SDRAM內存中，之后跳轉到SDRAM中繼續執行。當跳轉到內存中開始執行后，這4KB的SRAM就可以隨便使用了。

需要注意的是，在以Nand方式啟動時，硬件在自動讀取Nand Flash前4KB的內容時，并沒有使用ECC校驗，所以必須確保Nand Flash上前4KB的代碼沒有位錯誤。

這個流程看似很完美，但我有一點疑惑，就是此時Nand控制器還沒有被初始化，cpu是怎么能夠訪問NandFlash來讀取其上存儲的數據的呢？查看S3C2440的用戶手冊，它說當硬件復位過程中，Nand Flash控制器會通過如下幾個SoC的引腳來獲取外接的Nand Flash芯片的信息：

NCON(Adv flash)

GPG13(Page size)

GPG14(Address cycle)

GPG15(Bus width)

在這里插入圖片描述

這里我們初步研究了一下為什么在最開始還沒有初始化Nand Flash控制器時，硬件就可以正常訪問Nand Flash的內容，而系統啟動之后，必須要初始化Nand Flash控制器后，才能正常讀取Nand Flash的內容。我把深入探究放在后續的Nand實驗的文章中來探討，這里就先這樣。

從Nand方式的啟動流程中我們可以看出，如果待燒寫的BIN文件的大小小于4KB，那么我們就可以不用考慮把代碼拷貝到SDRAM中的事情。但是如果BIN文件的大小超過了4KB，那么我們就必須將代碼拷貝到SDRAM中。既然是要將代碼拷貝到新的地址空間中，那么顯然這就涉及到了代碼的重定位問題。可見，當以Nand Flash方式啟動時，需要考慮代碼的重定位問題。

s3c2440的NorFlash啟動與重定位

當系統以Nor Flash方式啟動時，由于Nor Flash可以像內存一樣直接讀取其中的數據，所以表面上看起來我們不需要像Nand方式啟動那樣，需要考慮4KB的問題。但是實際不是這樣的。如果我們在代碼中使用了全局變量，顯然此時全局變量的地址也在Nor Flash對應的地址空間內。而Nor Flash是不能像內存一樣直接去進行寫操作的，而必須按照特定的時序來進行寫入，所以對于代碼中的全局變量修改操作，就會修改失敗。而通過上面的介紹我們可知，這些全局變量位于.data段或者.bss段中，我們就需要將這些段重定位到SDRAM中，否則代碼運行就不正常。

下面我們通過實驗來證明：當以Nor Flash方式啟動時，如果代碼中存在對全局變量的修改，同時我們沒有進行重定位操作，那么程序就會工作不正常。

main.c

#include "myprintf.h"

#include "uart.h"

#include "util.h"

char gCh = 'A';

int main(void) {

uart0_init();

printf("%snr", "NorFlash Relocate Test.");

while(1) {

gCh++;

printf("%c", gCh);

wait(800000);

}

return 0;

}

Makefile文件

CROSS_COMPILE_PREFIX=arm-linux-

CFLAGS=-g

TARGET=relocate

$(TARGET).bin : CRT0.o uart.o myprintf.o Ctype.o sdram.o util.o $(TARGET).o main.o

$(CROSS_COMPILE_PREFIX)ld -Ttext 0x0000000 -o $(TARGET).elf $^

$(CROSS_COMPILE_PREFIX)objcopy -O binary -S $(TARGET).elf $@

$(CROSS_COMPILE_PREFIX)objdump -D $(TARGET).elf > $(TARGET).dis

CRT0.o : CRT0.S

$(CROSS_COMPILE_PREFIX)gcc $(CFLAGS) -c -o $@ $^

myprintf.o : myprintf.c stdarg.h