基于ARM GNU工具链的Cortex-M平台PIE最小加载器实现问询

针对你基于ARM GNU工具链在Cortex-M上实现PIE加载器的需求，以下是不解析ELF、仅依赖预存段信息的最小实现指南：

一、核心重定位步骤 #

1. 镜像加载：将包含所有段的原始二进制，按预先掌握的段偏移、大小，复制到对应目标内存区域（只读段可直接映射，可读写段需复制到可写内存）
2. 计算偏移量：算出实际加载基址与链接时指定基址的差值：load_offset = 实际加载基址 - 链接基址（链接基址可通过readelf -l pie_binary查看，或在构建脚本中固定）
3. 处理重定位条目：遍历.rel.dyn段的所有R_ARM_RELATIVE类型条目，给指定内存位置的值加上load_offset

二、需要处理的段及操作 #

1. 代码段（.text） #

• 操作：直接加载到指定只读内存区域（如Flash或RAM只读段），无需额外修改——PIE代码本身已做位置无关处理

2. 可读写数据段（.data/.bss） #

• .data：从二进制镜像复制到目标可写内存，重定位会自动覆盖相关地址修正
• .bss：无需从镜像加载，直接在目标内存区域清零即可

3. .rel.dyn段 #

• 操作：遍历每个Elf32_Rel结构体条目：

  typedef struct {
      uint32_t r_offset;  // 重定位目标相对于链接基址的内存偏移
      uint32_t r_info;    // 重定位类型+符号索引（此处类型固定为R_ARM_RELATIVE=0x17）
  } Elf32_Rel;
  

  对每个条目，计算目标内存地址target_addr = 实际加载基址 + rel->r_offset，执行*target_addr += load_offset完成重定位

4. .got/.got.plt/.dynamic段 #

• .got：其重定位需求已包含在.rel.dyn的R_ARM_RELATIVE条目中，处理完.rel.dyn即自动完成更新，无需额外操作
• .got.plt：若你的PIE未调用外部动态链接库（所有符号均为内部），且无对应重定位条目，可直接忽略
• .dynamic：该段为动态链接器设计，你无需动态链接，完全可以忽略

三、示例代码（Cortex-M3/M4） #

假设已预先获取以下信息：

• PIE_BINARY：原始二进制镜像指针/数组
• LOAD_BASE：实际加载基址（如0x20001000）
• LINK_BASE：链接时指定的基址（如0x20000000）
• REL_DYN_OFFSET：.rel.dyn在二进制镜像中的偏移
• REL_DYN_SIZE：.rel.dyn的字节大小
• 各段的偏移、目标地址、大小等参数

#include <stdint.h>
#include <string.h>

// ARM 32位重定位结构体定义
typedef struct {
    uint32_t r_offset;
    uint32_t r_info;
} Elf32_Rel;

#define R_ARM_RELATIVE 0x17

// 预定义段信息示例（根据实际情况修改）
#define TEXT_OFFSET 0x0000
#define TEXT_TARGET 0x20001000
#define TEXT_SIZE 0x1000

#define DATA_OFFSET 0x1000
#define DATA_TARGET 0x20002000
#define DATA_SIZE 0x400

#define BSS_TARGET 0x20002400
#define BSS_SIZE 0x200

#define REL_DYN_OFFSET 0x1400
#define REL_DYN_SIZE 0x80

#define ENTRY_OFFSET 0x10  // 入口函数相对于LOAD_BASE的偏移

void load_pie(void) {
    // 1. 计算加载偏移量
    const uint32_t load_offset = LOAD_BASE - LINK_BASE;

    // 2. 加载各段到目标内存
    memcpy((void*)TEXT_TARGET, PIE_BINARY + TEXT_OFFSET, TEXT_SIZE);
    memcpy((void*)DATA_TARGET, PIE_BINARY + DATA_OFFSET, DATA_SIZE);
    memset((void*)BSS_TARGET, 0, BSS_SIZE);

    // 3. 处理.rel.dyn重定位
    Elf32_Rel* rel_dyn = (Elf32_Rel*)(PIE_BINARY + REL_DYN_OFFSET);
    const uint32_t rel_count = REL_DYN_SIZE / sizeof(Elf32_Rel);

    for (uint32_t i = 0; i < rel_count; i++) {
        Elf32_Rel* rel = &rel_dyn[i];
        // 验证重定位类型是否为预期的R_ARM_RELATIVE
        if ((rel->r_info & 0xFF) != R_ARM_RELATIVE) {
            continue; // 非预期类型，可添加错误处理逻辑
        }
        uint32_t* target = (uint32_t*)(LOAD_BASE + rel->r_offset);
        *target += load_offset;
    }

    // 4. 调用PIE入口函数（Cortex-M需确保最低位为1，表示Thumb模式）
    void (*pie_entry)(void) = (void (*)(void))(LOAD_BASE + ENTRY_OFFSET);
    pie_entry();
}

关键注意事项 #

• 确保目标内存权限：代码段设为只读可执行，数据段设为可读可写
• 链接时需明确指定基址，例如用-Wl,-Ttext=LINK_BASE，保证load_offset计算准确
• Cortex-M的Thumb指令集要求函数指针最低位为1，链接时通常会自动处理，加载后偏移计算会保留该位

内容的提问来源于stack exchange，提问作者mastupristi