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arm-linux-ld指令详解

2013年09月06日 ⁄ 综合 ⁄ 共 6238字 ⁄ 字号 评论关闭

我们对每个c或者汇编文件进行单独编译,但是不去连接,生成很多.o
的文件,这些.o文件首先是分散的,我们首先要考虑的如何组合起来;其次,这些.o文件存在相互调用的关系;再者,我们最后生成的bin文件是要在硬件中
运行的,每一部分放在什么地址都要有仔细的说明。我觉得在写makefile的时候,最为重要的就是ld的理解,下面说说我的经验:

 

首先,要确定我们的程序用没有用到标准的c库,或者一些系统的库文件,这些一般是在操作系统之上开发要注意的问题,这里并不多说,熟悉在Linux编程的人,基本上都会用ld命令;这里,我们从头开始,直接进行汇编语言的连接。

 

我们写一个汇编程序,控制GPIO,从而控制外接的LED,代码如下;

 

   .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

 

代码很简单,就是一个对io口进行设置然后写数据。我们看它是如何编译的,注意我们这里使用的不是arm-linux-gcc而是arm-elf-
gcc,二者之间没有什么比较大的区别,arm-linux-gcc可能包含更多的库文件,在命令行的编译上面是没有区别。我们来看是如何编译的:

       arm-elf-gcc -g -c -o led_On.o led_On.s  首先纯编译不连接

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

       用Ttext指明我们程序存储的地方,这里生成的是elf文件,还不是我们真正的bin,但是可以借助一些工具可以进行调试。然后:

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

生成bin文件。

 

-T选项是ld命令中比较重要的一个选项,可以用它直接指明代码的代码段、数据段、博士生、

段,对于复杂的连接,可以专门写一个脚本来告诉编译器如何连接。

 

    -Ttext   addr

    -Tdata  addr

    -Tbss     addr

 

arm-elf-ld  -Ttext 0x00000000 -g led_On.o -o led_on_elf 
,运行地址为0x00000000,由于没有指明数据段和bss,他们会默认的依次放在后面。相同的代码
不同的Ttext,你可以对比一下他们之间会变的差异,ld会自动调整跳转的地址。

 

第二个概念:section,section可以理解成一块,例如像c里面的一个子函数,就是一个section,链接器ld把object文件中
的每个section都作为一个整体,为其分配运行的地址(memory
layout),这个过程就是重定位(relocation);最后把所有目标文件合并为一个目标文件。

 

链接通过一个linker script来控制,这个脚本描述了输入文件的sections到输出文件的映射,以及输出文件的memory layout。

因此,linker总会使用一个linker script,如果不特别指定,则使用默认的script;可以使用‘-T’命令行选项来指定一个linker script。

 

 

*映像文件的输入段与输出段

linker把多个输入文件合并为一个输出文件。输出文件和输入文件都是目标文件(object file),输出文件通常被称为可执行文件(executable)。

每个目标文件都有一系列section,输入文件的section称为input section,输出文件的section则称为output section。


个section可以是loadable的,即输出文件运行时需要将这样的section加载到memory(类似于RO&RW段);也可以是
allocatable的,这样的section没有任何内容,某些时候用0对相应的memory区域进行初始化(类似于ZI段);如果一个
section既非loadable也非allocatable,则它通常包含的是调试信息。

每个loadable或
allocatable的output section都有两个地址,一是VMA(virtual memory
address),是该section的运行时域地址;二是LMA(load memory address),是该section的加载时域地址。

可以通过objdump工具附加'-h'选项来查看目标文件中的sections。

 

*简单的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,符号赋值,输出段描述,也可以是overlay描述。

(2) 地址计数器‘.’(location counter):

该符号只能用于SECTIONS命令内部,初始值为‘0’,可以对该符号进行赋值,也可以使用该符号进行计算或赋值给其他符号。它会自动根据SECTIONS命令内部所描述的输出段的大小来计算当前的地址。

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

前面提到在SECTIONS命令中可以作输出段描述,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]

很多附加选项是用不到的。其中的output-section-command又可以是符号赋值,输入段描述,要直接包含的数据值,或者某一特定的输出段关键字。

 

*linker script 实例

==============================

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命令中的类似于下面的描述结构就是输出段描述:

.start ALIGN(4) : {

    *(.text.start)

}

.start
为output section name,ALIGN(4)返回一个基于location
counter(.)的4字节对齐的地址值。*(.text.start)是输入段描述,*为通配符,意思是把所有被链接的object文件中
的.text.start段都链接进这个名为.start的输出段。

源文件中所标识的section及其属性实际上就是对输入段的描述,例如.text.start输入段在源文件start.S中的代码如下:

.section .text.start

.global _start

_start :

    b start

 

 

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

这里就必须存在一个timer.lds的文件。

 

对于
.lds
文件,它定义了整个程序编译之后的连接过程,决定了一个可执行程序的各个段的存储位置。虽然现在我还没怎么用它,但感觉还是挺重要的,有必要了解一下。

先看一下
GNU
官方网站上对
.lds
文件形式的完整描述:

 

SECTIONS {
...
secname

start

BLOCK(
align

) (NOLOAD) : AT (
ldadr

)
  {

contents

} >
region

:
phdr

=
fill


...
}

 

secname
contents
是必须的,其他的都是可选的。下面挑几个常用的看看:

1

secname
:段名

2

contents
:决定哪些内容放在本段,可以是整个目标文件,也可以是目标文件中的某段(代码段、数据段等)

3

start
:本段连接(运行)的地址,如果没有使用
AT

ldadr
),本段存储的地址也是
start

GNU
网站上说
start
可以用任意一种描述地址的符号来描述。

4

AT

ldadr
):定义本段存储(加载)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
地址开始处,
init.o
放在
head.o
后面,他们的运行地址也是
0x00000000
,即连接和存储地址相同(没有
AT
指定);
main.o
放在
4096

0x1000
,是
AT
指定的,存储地址)开始处,但是它的运行地址在
0x30000000
,运行之前需要从
0x1000
(加载处)复制到
0x30000000
(运行处),此过程也就用到了读取
Nand flash

 

这就是存储地址和连接(运行)地址的不同,称为加载时域和运行时域,可以在
.lds
连接脚本文件中分别指定。

编写好的
.lds
文件,在用
arm-linux-ld
连接命令时带
-Tfilename
来调用执行,如

arm-linux-ld –Tnand.lds x.o y.o –o xy.o

。也用
-Ttext
参数直接指定连接地址,如

arm-linux-ld –Ttext 0x30000000 x.o y.o –o xy.o

 

既然程序有了两种地址,就涉及到一些跳转指令的区别,这里正好写下来,以后万一忘记了也可查看,以前不少东西没记下来现在忘得差不多了。

ARM
汇编中,常有两种跳转方法:
b
跳转指令、
ldr
指令向
PC
赋值。

我自己经过归纳如下:

 

b step1

b
跳转指令是相对跳转,依赖当前
PC
的值,偏移量是通过该指令本身的
bit[23:0]
算出来的,这使得使用
b
指令的程序不依赖于要跳到的代码的位置,只看指令本身。

 

ldr pc, =step1
:该指令是从内存中的某个位置(
step1
)读出数据并赋给
PC
,同样依赖当前
PC
的值,但是偏移量是那个位置(
step1
)的连接地址(运行时的地址),所以可以用它实现从
Flash

RAM
的程序跳转。

 

此外,有必要回味一下
adr
伪指令,
U-boot
中那段
relocate
代码就是通过
adr
实现当前程序是在
RAM
中还是
flash
中。仍然用我当时的注释

 

  adr r0, _start /* r0
是代码的当前位置
*/
/* adr

伪指令,汇编器自动通过当前
PC
的值算出

如果执行到
_start

PC
的值,放到
r0
中:


当此段在
flash
中执行时
r0 = _start = 0
;当此段在
RAM
中执行时
_start = _TEXT_BASE(

board/smdk2410/config.mk
中指定的值为
0x33F80000
,即
u-boot
在把代码拷贝到
RAM
中去执行的代码段的开始
) */

 

  ldr r1, _TEXT_BASE /*
测试判断是从
Flash
启动,还是
RAM */
/*

此句执行的结果
r1
始终是
0x33FF80000
,因为此值是又编译器指定的
(ads
中设置,或
-D
设置编译器参数
) */
    cmp r0, r1 /*

比较
r0

r1
,调试的时候不要执行重定位
*/

 

  
下面,结合
u-boot.lds
看看一个正式的连接脚本文件。这个文件的基本功能还能看明白,虽然上面分析了好多,但其中那些
GNU
风格的符号还是着实让我感到迷惑。

 

OUTPUT_FORMAT("elf32­littlearm", "elf32­littlearm", "elf32­littlearm")
  ;

指定输出可执行文件是
elf
格式
,32

ARM
指令
,
小端

OUTPUT_ARCH(arm)
  ;

指定输出可执行文件的平台为
ARM
ENTRY(_start)
  ;

指定输出可执行文件的起始代码段为
_start.
SECTIONS
{
        . = 0x00000000 ;


0x0
位置开始

        . = ALIGN(4) ;

代码以
4
字节对齐

        .text : ;

指定代码段

        {
          cpu/arm920t/start.o (.text) ;

代码的第一个代码部分

          *(.text) ;

其它代码部分

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

指定只读数据段

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

指定读
/
写数据段

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

指定
got

, got
段式是
uboot
自定义的一个段
,
非标准段

        __u_boot_cmd_start = . ;


__u_boot_cmd_start
赋值为当前位置
,
即起始位置

        .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) } ;

指定
u_boot_cmd

, uboot
把所有的
uboot
命令放在该段
.
        __u_boot_cmd_end = .;


__u_boot_cmd_end
赋值为当前位置
,
即结束位置

        . = ALIGN(4);
        __bss_start = .;


__bss_start
赋值为当前位置
,

bss
段的开始位置

        .bss : { *(.bss) };

指定
bss


        _end = .;


_end
赋值为当前位置
,

bss
段的结束位置

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