標簽： arm&linux  

arm-linux-ld指令詳解

我們對每個(gè)c或者匯編文件進(jìn)行單獨編譯，但是不去連接，生成很多.o 的文件，這些.o文件首先是分散的，我們首先要考慮的如何組合起來(lái)；其次，這些.o文件存在相互調用的關(guān)系；再者，我們最后生成的bin文件是要在硬件中運行的，每一部分放在什么地址都要有仔細的說(shuō)明。我覺(jué)得在寫(xiě)makefile的時(shí)候，最為重要的就是ld的理解，下面說(shuō)說(shuō)我的經(jīng)驗：

首先，要確定我們的程序用沒(méi)有用到標準的c庫，或者一些系統的庫文件，這些一般是在操作系統之上開(kāi)發(fā)要注意的問(wèn)題，這里并不多說(shuō)，熟悉在Linux編程的人，基本上都會(huì )用ld命令；這里，我們從頭開(kāi)始,直接進(jìn)行匯編語(yǔ)言的連接。

我們寫(xiě)一個(gè)匯編程序，控制GPIO，從而控制外接的LED，代碼如下;

   .text

.global _start

_start:

    LDR R0,=0x56000010 @GPBCON寄存器
   
    MOV R1,# 0x00000400
    str R1,[R0]
   
    LDR R0,=0x56000014
    MOV R1,#0x00000000
   
    STR R1,[R0]
   
    MAIN_LOOP:
            B MAIN_LOOP

代碼很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)對io口進(jìn)行設置然后寫(xiě)數據。我們看它是如何編譯的，注意我們這里使用的不是arm-linux-gcc而是arm-elf- gcc，二者之間沒(méi)有什么比較大的區別，arm-linux-gcc可能包含更多的庫文件，在命令行的編譯上面是沒(méi)有區別。我們來(lái)看是如何編譯的：

       arm-elf-gcc -g -c -o led_On.o led_On.s  首先純編譯不連接

       arm-elf-ld  -Ttext 0x00000000 -g led_On.o -o led_on_elf

       用Ttext指明我們程序存儲的地方，這里生成的是elf文件，還不是我們真正的bin，但是可以借助一些工具可以進(jìn)行調試。然后：

       arm-elf-objcopy -O binary -S led_on_elf led_on.bin  

生成bin文件。

-T選項是ld命令中比較重要的一個(gè)選項，可以用它直接指明代碼的代碼段、數據段、博士生、

段，對于復雜的連接，可以專(zhuān)門(mén)寫(xiě)一個(gè)腳本來(lái)告訴編譯器如何連接。

    -Ttext   addr

    -Tdata  addr

    -Tbss     addr

arm-elf-ld  -Ttext 0x00000000 -g led_On.o -o led_on_elf  ，運行地址為0x00000000，由于沒(méi)有指明數據段和bss，他們會(huì )默認的依次放在后面。相同的代碼不同的Ttext，你可以對比一下他們之間會(huì )變的差異，ld會(huì )自動(dòng)調整跳轉的地址。

第二個(gè)概念：section，section可以理解成一塊，例如像c里面的一個(gè)子函數，就是一個(gè)section，鏈接器ld把object文件中的每個(gè)section都作為一個(gè)整體，為其分配運行的地址(memory layout)，這個(gè)過(guò)程就是重定位(relocation)；最后把所有目標文件合并為一個(gè)目標文件。

鏈接通過(guò)一個(gè)linker script來(lái)控制，這個(gè)腳本描述了輸入文件的sections到輸出文件的映射，以及輸出文件的memory layout。

因此，linker總會(huì )使用一個(gè)linker script，如果不特別指定，則使用默認的script；可以使用‘-T’命令行選項來(lái)指定一個(gè)linker script。

＊映像文件的輸入段與輸出段

linker把多個(gè)輸入文件合并為一個(gè)輸出文件。輸出文件和輸入文件都是目標文件(object file)，輸出文件通常被稱(chēng)為可執行文件(executable)。

每個(gè)目標文件都有一系列section，輸入文件的section稱(chēng)為input section，輸出文件的section則稱(chēng)為output section。

一個(gè)section可以是loadable的，即輸出文件運行時(shí)需要將這樣的section加載到memory(類(lèi)似于RO&RW段)；也可以是 allocatable的，這樣的section沒(méi)有任何內容，某些時(shí)候用0對相應的memory區域進(jìn)行初始化(類(lèi)似于ZI段)；如果一個(gè) section既非loadable也非allocatable，則它通常包含的是調試信息。

每個(gè)loadable或 allocatable的output section都有兩個(gè)地址，一是VMA(virtual memory address)，是該section的運行時(shí)域地址；二是LMA(load memory address)，是該section的加載時(shí)域地址。

可以通過(guò)objdump工具附加'-h'選項來(lái)查看目標文件中的sections。

＊簡(jiǎn)單的Linker script

(1) SECTIONS命令：

The SECTIONS command tells the linker how to map input sections into output sections, and how to place the output sections in memory.

命令格式如下：

SECTIONS

{

sections-command

sections-command

......

}

其中sections-command可以是ENTRY命令，符號賦值，輸出段描述，也可以是overlay描述。

(2) 地址計數器‘.’(location counter)：

該符號只能用于SECTIONS命令內部，初始值為‘0’，可以對該符號進(jìn)行賦值，也可以使用該符號進(jìn)行計算或賦值給其他符號。它會(huì )自動(dòng)根據SECTIONS命令內部所描述的輸出段的大小來(lái)計算當前的地址。

(3) 輸出段描述(output section description)：

前面提到在SECTIONS命令中可以作輸出段描述，描述的格式如下：

section [address] [(type)] : [AT(lma)]

{

output-section-command

output-section-command

...

} [>region] [AT>lma_region] [:phdr :phdr ...] [=fillexp]

很多附加選項是用不到的。其中的output-section-command又可以是符號賦值，輸入段描述，要直接包含的數據值，或者某一特定的輸出段關(guān)鍵字。

＊linker script 實(shí)例

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

OUTPUT_ARCH(arm)

ENTRY(_start)

SECTIONS {

    . = 0xa3f00000;

    __boot_start = .;

    .start ALIGN(4) : {

        *(.text.start)

    }

    .setup ALIGN(4) : {

        setup_block = .;

        *(.setup)

        setup_block_end = .;

    }

    .text ALIGN(4) : {

        *(.text)

    }

    .rodata ALIGN(4) : {

        *(.rodata)

    }

    .data ALIGN(4) : {

        *(.data)

    }

    .got ALIGN(4) : {

        *(.got)

    }

    __boot_end = .;

    .bss ALIGN(16) : {

        bss_start = .;

        *(.bss)

        *(COMMON)

        bss_end = .;

    }

    .comment ALIGN(16) : {

        *(.comment)

    }

    stack_point = __boot_start + 0x00100000;

    loader_size = __boot_end - __boot_start;

    setup_size = setup_block_end - setup_block;

}

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝  

在SECTIONS命令中的類(lèi)似于下面的描述結構就是輸出段描述：

.start ALIGN(4) : {

    *(.text.start)

}

.start 為output section name，ALIGN(4)返回一個(gè)基于location counter(.)的4字節對齊的地址值。*(.text.start)是輸入段描述，*為通配符，意思是把所有被鏈接的object文件中的.text.start段都鏈接進(jìn)這個(gè)名為.start的輸出段。

源文件中所標識的section及其屬性實(shí)際上就是對輸入段的描述，例如.text.start輸入段在源文件start.S中的代碼如下：

.section .text.start

.global _start

_start :

    b start

arm-elf-ld -Ttimer.lds -o timer_elf header .o

這里就必須存在一個(gè)timer.lds的文件。

對于.lds文件，它定義了整個(gè)程序編譯之后的連接過(guò)程，決定了一個(gè)可執行程序的各個(gè)段的存儲位置。雖然現在我還沒(méi)怎么用它，但感覺(jué)還是挺重要的，有必要了解一下。

先看一下GNU官方網(wǎng)站上對.lds文件形式的完整描述：

SECTIONS {
...
secname start BLOCK(align) (NOLOAD) : AT ( ldadr )
  { contents } >region :phdr =fill
...
}

secname和contents是必須的，其他的都是可選的。下面挑幾個(gè)常用的看看：

1、secname：段名

2、contents：決定哪些內容放在本段，可以是整個(gè)目標文件，也可以是目標文件中的某段（代碼段、數據段等）

3、start：本段連接（運行）的地址，如果沒(méi)有使用AT（ldadr），本段存儲的地址也是start。GNU網(wǎng)站上說(shuō)start可以用任意一種描述地址的符號來(lái)描述。

4、AT（ldadr）：定義本段存儲（加載）的地址。

/* nand.lds */
SECTIONS {
firtst 0x00000000 : { head.o init.o }
second 0x30000000 : AT(4096) { main.o }
}

    以上，head.o放在0x00000000地址開(kāi)始處，init.o放在head.o后面，他們的運行地址也是0x00000000，即連接和存儲地址相同（沒(méi)有AT指定）；main.o放在4096（0x1000，是AT指定的，存儲地址）開(kāi)始處，但是它的運行地址在0x30000000，運行之前需要從0x1000（加載處）復制到0x30000000（運行處），此過(guò)程也就用到了讀取Nand flash。

這就是存儲地址和連接（運行）地址的不同，稱(chēng)為加載時(shí)域和運行時(shí)域，可以在.lds連接腳本文件中分別指定。

編寫(xiě)好的.lds文件，在用arm-linux-ld連接命令時(shí)帶-Tfilename來(lái)調用執行，如
arm-linux-ld –Tnand.lds x.o y.o –o xy.o。也用-Ttext參數直接指定連接地址，如
arm-linux-ld –Ttext 0x30000000 x.o y.o –o xy.o。

既然程序有了兩種地址，就涉及到一些跳轉指令的區別，這里正好寫(xiě)下來(lái)，以后萬(wàn)一忘記了也可查看，以前不少東西沒(méi)記下來(lái)現在忘得差不多了。

ARM匯編中，常有兩種跳轉方法：b跳轉指令、ldr指令向PC賦值。

我自己經(jīng)過(guò)歸納如下：

b step1 ：b跳轉指令是相對跳轉，依賴(lài)當前PC的值，偏移量是通過(guò)該指令本身的bit[23:0]算出來(lái)的，這使得使用b指令的程序不依賴(lài)于要跳到的代碼的位置，只看指令本身。

ldr pc, =step1 ：該指令是從內存中的某個(gè)位置（step1）讀出數據并賦給PC，同樣依賴(lài)當前PC的值，但是偏移量是那個(gè)位置（step1）的連接地址（運行時(shí)的地址），所以可以用它實(shí)現從Flash到RAM的程序跳轉。

此外，有必要回味一下adr偽指令，U-boot中那段relocate代碼就是通過(guò)adr實(shí)現當前程序是在RAM中還是flash中。仍然用我當時(shí)的注釋

  adr r0, _start /* r0是代碼的當前位置 */
/* adr偽指令，匯編器自動(dòng)通過(guò)當前PC的值算出 如果執行到_start時(shí)PC的值，放到r0中：
當此段在flash中執行時(shí)r0 = _start = 0；當此段在RAM中執行時(shí)_start = _TEXT_BASE(在board/smdk2410/config.mk中指定的值為0x33F80000，即u-boot在把代碼拷貝到RAM中去執行的代碼段的開(kāi)始) */

  ldr r1, _TEXT_BASE /* 測試判斷是從Flash啟動(dòng)，還是RAM */
/* 此句執行的結果r1始終是0x33FF80000，因為此值是又編譯器指定的(ads中設置，或-D設置編譯器參數) */
    cmp r0, r1 /* 比較r0和r1，調試的時(shí)候不要執行重定位 */

   下面，結合u-boot.lds看看一個(gè)正式的連接腳本文件。這個(gè)文件的基本功能還能看明白，雖然上面分析了好多，但其中那些GNU風(fēng)格的符號還是著(zhù)實(shí)讓我感到迷惑。

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該用戶(hù)于2009/5/1 21:40:16編輯過(guò)該文章