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uboot的relocation原理详细分析(1)

(2015-04-26 15:59:23)
标签：

佛学

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

 

  1. ENTRY(relocate_code)  
  2.         ldr     r1, =__image_copy_start   
  3.         subs    r4, r0, r1                
  4.         beq     relocate_done             
  5.         ldr     r2, =__image_copy_end     
  6.   
  7. copy_loop:  
  8.         ldmia   r1!, {r10-r11}            
  9.         stmia   r0!, {r10-r11}            
  10.         cmp     r1, r2                    
  11.         blo     copy_loop  
  12.   
  13.           
  14.         ldr     r2, =__rel_dyn_start      
  15.         ldr     r3, =__rel_dyn_end        
  16. fixloop:  
  17.         ldmia   r2!, {r0-r1}              
  18.         and     r1, r1, #0xff  
  19.         cmp     r1, #23                   
  20.         bne     fixnext  
  21.   
  22.           
  23.         add     r0, r0, r4  
  24.         ldr     r1, [r0]  
  25.         add     r1, r1, r4  
  26.         str     r1, [r0]  
  27. fixnext:  
  28.         cmp     r2, r3  
  29.         blo     fixloop  
  30.   
  31. 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：

 

  1. OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")  
  2. OUTPUT_ARCH(arm)  
  3. ENTRY(_start)  
  4. SECTIONS  
  5. {  
  6.         . = 0x00000000;  
  7.   
  8.         . = ALIGN(4);  
  9.         .text :  
  10.         {  
  11.                 *(.__image_copy_start)  
  12.                 CPUDIR/start.o (.text*)  
  13.                 *(.text*)  
  14.         }  
  15.   
  16.         . = ALIGN(4);  
  17.         .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }  
  18.   
  19.         . = ALIGN(4);  
  20.         .data : {  
  21.                 *(.data*)  
  22.         }  
  23.   
  24.         . = ALIGN(4);  
  25.   
  26.         . = .;  
  27.   
  28.         . = ALIGN(4);  
  29.         .u_boot_list : {  
  30. "code" class="cpp">                KEEP(*(SORT(.u_boot_list*)));  
  31.         }  
  32.   
  33.         . = ALIGN(4);  
  34.   
  35.         .image_copy_end :  
  36.         {  
  37.                 *(.__image_copy_end)  
  38.         }  
  39.   
  40.         .rel_dyn_start :  
  41.         {  
  42.                 *(.__rel_dyn_start)  
  43.         }  
  44.   
  45.         .rel.dyn : {  
  46.                 *(.rel*)  
  47.         }  
  48.   
  49.         .rel_dyn_end :  
  50.         {  
  51.                 *(.__rel_dyn_end)  
  52.         }  
  53.   
  54.         .end :  
  55.         {  
  56.                 *(.__end)  
  57.         }  
  58.   
  59.         _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：

 

  1. 80eba944:       80e9d40c        rschi   sp, r9, ip, lsl #8  
  2. 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：

 

  1. 80ebc18c:       80eaa54c        rschi   sl, sl, ip, asr #10  
  2. 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，修改只是针对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！

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