我們對每個c或者彙編文件進行單獨編譯,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;其次,這些.o文件存在相互調用的關係;再者,我們最後生成的bin文件是要在硬件中運行的,每一部分放在什麼地址都要有仔細的說明。我覺得在寫makefile的時候,最爲重要的就是ld的理解,下面說說我的經驗:
首先,要確定我們的程序用沒有用到標準的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發要注意的問題,這裏並不多說,熟悉在Linux編程的人,基本上都會用ld命令;這裏,我們從頭開始,直接進行彙編語言的連接。
我們寫一個彙編程序,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
代碼很簡單,就是一個對io口進行設置然後寫數據。我們看它是如何編譯的,注意我們這裏使用的不是arm-linux-gcc而是arm-elf-gcc,二者之間沒有什麼比較大的區別,arm-linux-gcc可能包含更多的庫文件,在命令行的編譯上面是沒有區別。我們來看是如何編譯的:
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,這裏生成的是elf文件,還不是我們真正的bin,但是可以藉助一些工具可以進行調試。然後:
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選項,可以用它直接指明代碼的代碼段、數據段、博士生、
段,對於複雜的連接,可以專門寫一個腳本來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 ,運行地址爲0x00000000,由於沒有指明數據段和bss,他們會默認的依次放在後面。相同的代碼 不同的Ttext,你可以對比一下他們之間會變的差異,ld會自動調整跳轉的地址。
第二個概念:section,section可以理解成一塊,例如像c裏面的一個子函數,就是一個section,鏈接器ld把object文件中的每個section都作爲一個整體,爲其分配運行的地址(memory layout),這個過程就是重定位(relocation);最後把所有目標文件合併爲一個目標文件。
鏈接通過一個linker script來控制,這個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總會使用一個linker script,如果不特別指定,則使用默認的script;可以使用‘-T’命令行選項來指定一個linker script。
*映像文件的輸入段與輸出段
linker把多個輸入文件合併爲一個輸出文件。輸出文件和輸入文件都是目標文件(object file),輸出文件通常被稱爲可執行文件(executable)。
每個目標文件都有一系列section,輸入文件的section稱爲input section,輸出文件的section則稱爲output section。
一 個section可以是loadable的,即輸出文件運行時需要將這樣的section加載到memory(類似於RO&RW段);也可以是 allocatable的,這樣的section沒有任何內容,某些時候用0對相應的memory區域進行初始化(類似於ZI段);如果一個 section既非loadable也非allocatable,則它通常包含的是調試信息。
每個loadable或 allocatable的output section都有兩個地址,一是VMA(virtual memory address),是該section的運行時域地址;二是LMA(load memory address),是該section的加載時域地址。
可以通過objdump工具附加'-h'選項來查看目標文件中的sections。
*簡單的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):
該符號只能用於SECTIONS命令內部,初始值爲‘0’,可以對該符號進行賦值,也可以使用該符號進行計算或賦值給其他符號。它會自動根據SECTIONS命令內部所描述的輸出段的大小來計算當前的地址。
(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鍵字。
*linker script 實例
==============================
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命令中的類似於下面的描述結構就是輸出段描述:
.start ALIGN(4) : {
*(.text.start)
}
.start 爲output section name,ALIGN(4)返回一個基於location counter(.)的4字節對齊的地址值。*(.text.start)是輸入段描述,*爲通配符,意思是把所有被鏈接的object文件中 的.text.start段都鏈接進這個名爲.start的輸出段。
源文件中所標識的section及其屬性實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
這裏就必須存在一個timer.lds的文件。
對於.lds文件,它定義了整個程序編譯之後的連接過程,決定了一個可執行程序的各個段的存儲位置。雖然現在我還沒怎麼用它,但感覺還是挺重要的,有必要了解一下。
先看一下GNU官方網站上對.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,如果沒有使用AT(ldadr),本段存儲的地址也是start。GNU網站上說start可以用任意一種描述地址的符號來描述。
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地址開始處,init.o放在head.o後面,他們的運行地址也是0x00000000,即連接和存儲地址相同(沒有AT指定);main.o放在4096(0x1000,是AT指定的,存儲地址)開始處,但是它的運行地址在0x30000000,運行之前需要從0x1000(加載處)複製到0x30000000(運行處),此過程也就用到了讀取Nand flash。
這就是存儲地址和連接(運行)地址的不同,稱爲加載時域和運行時域,可以在.lds連接腳本文件中分別指定。
編寫好的.lds文件,在用arm-linux-ld連接命令時帶-Tfilename來調用執行,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,這裏正好寫下來,以後萬一忘記了也可查看,以前不少東西沒記下來現在忘得差不多了。
ARM彙編中,常有兩種跳轉方法:b跳轉指令、ldr指令向PC賦值。
我自己經過歸納如下:
b step1 :b跳轉指令是相對跳轉,依賴當前PC的值,偏移量是通過該指令本身的bit[23:0]算出來的,這使得使用b指令的程序不依賴於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位置(step1)讀出數據並賦給PC,同樣依賴當前PC的值,但是偏移量是那個位置(step1)的連接地址(運行時的地址),所以可以用它實現從Flash到RAM的程序跳轉。
此外,有必要回味一下adr僞指令,U-boot中那段relocate代碼就是通過adr實現當前程序是在RAM中還是flash中。仍然用我當時的註釋
adr r0, _start /* r0是代碼的當前位置 */
/* adr僞指令,彙編器自動通過當前PC的值算出 如果執行到_start時PC的值,放到r0中:
當此段在flash中執行時r0 = _start = 0;當此段在RAM中執行時_start
= _TEXT_BASE(在board/smdk2410/config.mk中指定的值爲0x33F80000,即u-boot在把代碼拷貝到RAM中去執行的代碼段的開始)
*/
ldr r1, _TEXT_BASE /* 測試判斷是從Flash啓動,還是RAM
*/
/* 此句執行的結果r1始終是0x33FF80000,因爲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,調試的時候不要執行重定位 */
下面,結合u-boot.lds看看一個正式的連接腳本文件。這個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風格的符號還是着實讓我感到迷惑。
OUTPUT_FORMAT("elf32­littlearm", "elf32­littlearm", "elf32­littlearm")
;指定輸出可執行文件是elf格式,32位ARM指令,小端
OUTPUT_ARCH(arm)
;指定輸出可執行文件的平臺爲ARM
ENTRY(_start)
;指定輸出可執行文件的起始代碼段爲_start.
SECTIONS
{
. = 0x00000000 ; 從0x0位置開始
. = ALIGN(4) ; 代碼以4字節對齊
.text : ;指定代碼段
{
cpu/arm920t/start.o (.text) ; 代碼的第一個代碼部分
*(.text) ;其它代碼部分
}
. = ALIGN(4)
.rodata : { *(.rodata) } ;指定只讀數據段
. = ALIGN(4);
.data : { *(.data) } ;指定讀/寫數據段
. = ALIGN(4);
.got : { *(.got) } ;指定got段, got段式是uboot自定義的一個段, 非標準段
__u_boot_cmd_start = . ;把__u_boot_cmd_start賦值爲當前位置, 即起始位置
.u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) } ;指定u_boot_cmd段, uboot把所有的uboot命令放在該段.
__u_boot_cmd_end = .;把__u_boot_cmd_end賦值爲當前位置,即結束位置
. = ALIGN(4);
__bss_start = .; 把__bss_start賦值爲當前位置,即bss段的開始位置
.bss : { *(.bss) }; 指定bss段
_end = .; 把_end賦值爲當前位置,即bss段的結束位置
}