LV04-06-重定位-01-段与链接脚本基础

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本文主要是重定位——段与链接脚本相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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一、段的概念

1. 基本概念

段是程序的组成元素。将整个程序分成一个一个段，并且给每个段起一个名字，然后在链接时就可以用这个名字来指示这些段，使得这些段排布在合适的位置。程序的段包括以下几部分：

（1）代码段(.text)：存放代码指令

（2）只读数据段(.rodata)：存放有初始值并且 const 修饰的全局类变量（全局变量或 static 修饰的局部变量）

（3）数据段(.data)：存放有初始值的全局类变量

（4）零初始化段(.bss)：存放没有初始值或初始值为 0 的全局类变量

（5）注释段(.comment)：存放注释

需要注意的是：bss 段和注释段不保存在 bin或者elf 文件中。注释段里面的机器码是用来表示文字的。

2. 在代码中的体现

这里用到之前的工程代码，具体修改了哪些内容可以看这里：。

  • （1）在主函数 main.c 文件中创建不同属性的全局变量
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char g_charA = 'A';			// 存储在 .data段
const char g_charB = 'B';	// 存储在 .rodata段
const char g_charC;			// 存储在 .bss段
int g_intA = 0;				// 存储在 .bss段
int g_intB;					// 存储在 .bss段
  • （2）创建链接脚本 imx6ull.lds
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SECTIONS {
    . = 0x80100000;

    . = ALIGN(4);
    .text      :
    {
      *(.text)
    }

    . = ALIGN(4);
    .rodata : { *(.rodata) }

    . = ALIGN(4);
    .data 0x80200000 : { *(.data) }

    . = ALIGN(4);
    __bss_start = .;
    .bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
    __bss_end = .;
}
  • （3）在 Makefile 文件中指明使用链接脚本 imx6ull.lds 控制链接过程
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# 使用链接脚本链接
$(LD) -T imx6ull.lds -g start.o uart.o main.o my_printf.o -o relocate.elf -lgcc -L/home/hk/2software/gcc-linaro-4.9.4/lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.4
  • （4）然后我们编译程序，会得到一个dis文件，我们打开这个文件会发现以下内容：

在反汇编文件中程序的地址从 0x80100000 开始

image-20240118225232225

整个程序被分为不同的段，每个段以 Disassembly of section 作为开始

image-20240118225506206

段落之间的地址是连续的，并且从低地址到高地址，段依次为：代码段、只读数据段、数据段、 bss 段、注释段（注意 bss 段和注释段不包含在elf/bin 文件中。那我们定义的几个变量都在哪？这个就进去搜一搜吧。

image-20240118225929924

二、链接脚本

链接脚本控制程序的链接过程，它规定如何把输入文件内的段放入输出文件, 并控制输出文件内的各部分在程序地址空间内的布局。

1. 刚才的链接脚本？

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SECTIONS {
    . = 0x80100000;
    . = ALIGN(4);
    .text :
    {
        *(.text)
    }
    . = ALIGN(4);
    .rodata : { *(.rodata) }
    . = ALIGN(4);
    .data : { *(.data) }
    . = ALIGN(4);
    __bss_start = .;
    .bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
    __bss_end = .;
}

这就是刚才的链接脚本，具体使用的时候我们需要再编译的过程中使用-T filename.lds 指定，否则在编译时将使用默认的链接脚本（默认的链接脚本无法进行一些段的复杂操作）：

image-20240118230103293

需要注意，对于结构较为简单的程序，也可以使用默认的链接脚本，并手动指定不同段在输出文件中的位置，例如：

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# 将所有程序的.text段放在一起,起始地址设置为0x80100000
# 将所有程序的.data段放在一起,起始地址设置为0x80102000
#$(LD) -Ttext 0x80100000 -Tdata 0x80102000 -g start.o uart.o main.o my_printf.o -o relocate.elf -lgcc -L/home/hk/2software/gcc-linaro-4.9.4/lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.4

2. 链接脚本语法

相关的语法，我们其实可以看GNU的官方文档：Using LD, the GNU linker

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SECTIONS {
...
secname start BLOCK(align) (NOLOAD) : AT ( ldadr )
{ contents } >region :phdr =fill
...
}
  • secname：段的名称
  • start：段的运行地址（ runtime addr），也称为重定位地址（ relocation addr）
  • AT ( ldadr )： ldadr 是段的加载地址（ load addr）； AT 是链接脚本函数，用于将该段的加载地址设定为 ldadr；如果不添加这个选项，默认的加载地址等于运行地址。
  • 其他的链接脚本函数我们之后用到了再学习，想进一步了解可以参考上面的官方文档。
  • { contents }： { } 用来表示段的起始结束； content 为该段包含的内容，可以由用户自己指定。
  • BLOCK(align) (NOLOAD)， >region :phdr =fill：很少用到，可以不做深入学习。

3. 解析链接脚本

我们来分析一下上边用测试的链接脚本：

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SECTIONS {
	. = 0x80100000; //设定链接地址为 0x80100000

	. = ALIGN(4);   //将当前地址以 4 字节为标准对齐
	.text :         //创建段，其名称为 .text
	{ 			    //.text 包含的内容为所有链接文件的数据段
		*(.text)    // *：表示所有文件
	}

	. = ALIGN(4);   //将当前地址以 4 字节为标准对齐
	.rodata : { *(.rodata) } //.rodata 存放在.text 之后,包含所有链接文件的只读数据段

	. = ALIGN(4);
	.data : { *(.data) }    //.data 存放在.rodata 之后，包含所有链接文件的只读数据段

	. = ALIGN(4);
	__bss_start = .;        //将当前地址的值存储为变量__bss_start
	.bss : { *(.bss) *(.COMMON) } //.bss 存放在.data 段之后, 包含所有文件的 bss段和注释段
	__bss_end = .;          //将当前地址的值存储为变量__bss_end
}

根据上述链接脚本的配置， .bin 文件中的数据结构如下图所示：

image-20230915222306966

上面我们写的链接脚本称为一体式链接脚本，与之相对的是分体式链接脚本，区别在于代码段(.text)和数据段(.data)的存放位置是否是分开的。例如现在的一体式链接脚本的代码段后面依次就是只读数据段、数据段、bss 段，都是连续在一起的。 分体式链接脚本则是代码段、只读数据段，中间间隔很远之后才是数据段、 bss 段。分体式链接脚本实例如下：

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SECTIONS {
	. = 0x80100000; //设置链接地址为 0x80100000，这也是.text 段的起始地址
	. = ALIGN(4);
	.text :
	{
		*(.text)
	}
	. = ALIGN(4);
	.rodata : { *(.rodata) } //假设 rodata 段的结束地址为 0x8010xxxx
	. = ALIGN(4);
	.data 0x80800000 : { *(.data) } //指定 data 段的起始地址为 0x80200000,和 rodata 段之间有较大间隔
	……（省略）
}

之后的代码更多的采用一体式链接脚本，原因如下：

（1）分体式链接脚本适合单片机，因为单片机自带有 flash，不需要将代码复制到内存占用空间。而我们的嵌入式系统内存非常大，没必要节省这点空间，并且有些嵌入式系统没有可以直接运行代码的 Flash，就需要从存储设备如 Nand Flash 或者 SD 卡复制整个代码到内存；

（2）JTAG 等调试器一般只支持一体式链接脚本；

4. 清除bss段

之前提到过 bin 文件中并不会保存 bss 段的值，因为这些值都是 0，保存这些值没有意义并会使得 bin 文件臃肿。当程序运行涉及到 bss 段上的数据时， CPU 会从 bss 段对应的内存地址去读取对应的值，为了确保从这段内存地址上读取到的 bss 段数值为 0，在程序运行前需要将这一段内存地址上的数据清零，即清除 bss 段。

4.1 start.S

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.text
.global  _start

_start: 

	/* 设置栈 */
	ldr  sp,=0x80200000

	/* 清除bss段 */
	bl clean_bss
	
	/* 跳转到主函数 */
	bl main

halt:
	b  halt 

clean_bss:
	ldr r1, =__bss_start	//将链接脚本变量__bss_start变量保存于r1
	ldr r2, =__bss_end		//将链接脚本变量__bss_end变量保存于r2
	mov r3, #0
clean:
	strb r3, [r1]			//将当前地址下的数据清零
	add r1, r1, #1			//将r1内存储的地址+1
	cmp r1, r2				//相等：清零操作结束；否则继续执行clean函数清零bss段
	bne clean
	
	mov pc, lr

4.2 imx6ull.lds

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SECTIONS {
    . = 0x80100000;

    . = ALIGN(4);
    .text :
    {
      *(.text)
    }

    . = ALIGN(4);
    .rodata : { *(.rodata) }

    . = ALIGN(4);
    .data : { *(.data) }

    . = ALIGN(4);
    __bss_start = .;
    .bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
    __bss_end = .;
}

4.3 main.c

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int main(int argc, const char * argv[])
{
	Uart_Init();	//初始化uart串口

	printf("g_intA = 0x%08x &g_intA = 0x%x\n\r", g_intA, &g_intA);	//打印g_intA的值
	printf("g_intB = 0x%08x &g_intB = 0x%x\n\r", g_intB, &g_intB);	//打印g_intB的值
	return 0;
}

编译过后，烧写到板子执行，保存在 bss 段中的变量 g_intA, g_intB 的值都为 0，表明清除 bss 段成功（但是吧，我没清的话）。

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