原创 代码重定位的思考(1)----PC基址跳转

所谓代码的重定位(relocate)，就是把可执行代码移动到内存中的另外一个地址去。OS一般会把内核从硬盘COPY到内存中去执行，就是用到了重定位这个技术。可执行代码经过编译，连接和定位之后，代码段和数据段都已经被定位器固定了。那么移动这段代码之后，程序若碰到branch指令，会不会跳到错误的地址去执行呢？
为了验证这个问题，笔者以Renesas SH2A体系的CPU为例，来做了相关的测试。
硬件平台：
CPU和外部SDRAM
其中CPU内部包含一小块SRAM
程序被下载到外部SDRAM里面执行。笔者将外部SDRAM地址08010000到08010120区间的代码复制到CPU内部SRAM地址FFF80000处，并跳转到FFF80000去执行。
08010000到08010120区间包含了flush_cache()和它调用的init_node()的代码。
下面是代码拷贝的汇编函数
_relocate:
MOVML.L R6,@-R15
STS.L PR,@-R15

MOV.L #H'FFF80000,R0        ; start address of the internal RAM.
MOV.L #_flush_cache,R1      ; start address of flush_cache()
MOV.L #H'8010120,R6         ; copy stop address

Copy_Loop:
MOV.L @R1,R2 
MOV.L R2,@R0                ; 开始拷贝代码到SRAM
ADD #H'4,R0
ADD #H'4,R1

CMP/EQ R6,R1
BT Continue                 ; if T = 1, copy finished

MOV.L #Copy_Loop,R3
JMP @R3
NOP

Continue:
CLRT
MOV.L #H'FFF80000,R5
JSR @R5                     ; execute flush_cache() in the internal RAM.
NOP

LDS.L @R15+,PR
MOVML.L @R15+,R6

RTS/N
.END 
下面是flush_cache()的C函数，里面调用另一个函数init_node()，以便让CPU产生branch指令
// 入口地址为0x08010000
void flush_cache(void)
{
CCNT.CCR1.BIT.ICF = 1; 
CCNT.CCR1.BIT.OCF = 1; 

// 入口地址为0x08010028 
init_node(0);
}
经过调试，发现程序能正常跳转到地址FFF80000去执行flush_cache()，接下来也能正常跳转到init_node()去执行，CPU完成了代码的重定位。
下面我们来看看编译器对flush_cache()生成的地址，机器码和反汇编。
移动之前：
地址      机器码   指令
08010014 D703    MOV.L @(H'000C:8,PC),R7    ;注意这里的R7就是init_node()的入口地址
08010016 472B    JMP @R7                    ;JMP是一条branch指令，用于子函数的跳转
移动之后：
地址      机器码   指令
FFF80014 D703    MOV.L @(H'000C:8,PC),R7
FFF80016 472B    JMP @R7

我们发现了一个很奇怪的问题，就是移动之前和移动之后的代码是完全不变的，但是程序在执行JMP @R7之后，确都能准确地跳转到0x08010028去执行init_node()。这是为什么呢？
很明显，我们发现了MOV.L @(H'000C:8,PC),R7这条指令的与众不同。该指令是把PC的内容加上H'000C:8计算产生的偏移量之和送入R7，于是真相明白了。编译器在遇到branch指令时，是以PC为基址来跳转的。
我们来查看该指令。
16-bit/32-bit displacement
PC indirect with displacement(带转移的PC间接寻址)
MOV.L @(disp:8,PC),R7
The effective address is the sum of PC value and an 8-bit displacement(disp). The value of disp is zero-extended, and is doubled for a word operation, and quadrupled for a longword operation. For a longword operation, the lowest two bits of the PC value are masked.
Word:
PC + disp * 2
Longword:
PC & H'FFFFFFFC + disp * 4
由于copy代码的时候，是将flush_cache()和init_node()作为一个整体来COPY的，所以CPU还是可以跳转到init_node()去。
最后思考一个问题，如果不把init_node()的代码COPY到SRAM里去，flush_cache()还能不能调用它呢？
实验证明，如果把 MOV.L #H'8010120,R6换成MOV.L #H'8010020,R6，即不拷贝init_node()，程序会跳转到一个错误的地址。