ARM基礎(chǔ)知識(shí) -- ELF映像文件

1.ELF格式文件的結(jié)構(gòu)

1.1 映像文件組成部分

* 一個(gè)映像文件有一個(gè)或多個(gè)域組成
* 每個(gè)域包含一個(gè)或多個(gè)輸出段
* 每個(gè)輸出段包含一個(gè)或多個(gè)輸入段
* 各輸入段中包含了目標(biāo)文件中的代碼和數(shù)據(jù)

輸入段中包含了四類內(nèi)容：代碼、已經(jīng)初始化的數(shù)據(jù)、未經(jīng)初始化的存儲(chǔ)區(qū)域、內(nèi)容初始化成0的存儲(chǔ)區(qū)域。每個(gè)輸入段有相應(yīng)的屬性，可以為只讀的（RO）、可讀寫的（RW）以及初始化成0的（ZI）。ARM連接器根據(jù)個(gè)輸入段的屬性將這些輸入段分組，再組成不同的輸出段及域。

一個(gè)輸出段中包含了一系列的具有相同的RO、RW和ZI屬性的輸入段。輸出段的屬性與其中包含的輸入段的屬性相同。在一個(gè)輸出段的內(nèi)部，各輸入段是按照一定的規(guī)則排序的，這將在1.3節(jié)油詳細(xì)地介紹。

一個(gè)域中包含1-3個(gè)輸出段，其中個(gè)輸出段的屬性各不相同。各輸出段的排列順序是由其屬性決定的。其中RO屬性的輸出段排在最前面，其次是RW屬性的輸出段，最后是ZI屬性的輸出段。一個(gè)域通常映射到一個(gè)物理存儲(chǔ)器上，如ROM或RAM。

1.2 ARM映像文件各組成部分的地址影射

ARM映像文件各組成部分在存儲(chǔ)系統(tǒng)中的地址有兩種：一種是映像文件位于存儲(chǔ)器中時(shí)（也就是該映像文件運(yùn)行之前）的地址，稱之為加載地址；一種是映像文件運(yùn)行時(shí)的地址，稱之為運(yùn)行時(shí)地址。之所以有這兩種地址，是因?yàn)橛诚裎募谶\(yùn)行時(shí)，其中的有些域是可以移動(dòng)的新的存儲(chǔ)區(qū)域。比如，已經(jīng)初始化的RW屬性的數(shù)據(jù)所在的段運(yùn)行之前可能保存系統(tǒng)的ROM中，在運(yùn)行時(shí)，他被移動(dòng)至RAM中。

通常，一個(gè)映像文件包含若干個(gè)域，各域又包含若干的輸出段。ARM連接器需要知道如下的信息，已決定如何生成相應(yīng)的映像文件。

* 分組信息 決定如何將個(gè)輸入段組織成相應(yīng)的輸出段和域。
* 定位信息 決定個(gè)域在存儲(chǔ)空間地址中的起始地址。

根據(jù)映像文件中地址映射的復(fù)雜程度，有兩種方法來(lái)告訴arm連接器這些相關(guān)信息。對(duì)于映像文件中地址映射關(guān)系比較簡(jiǎn)單的情況，可以使用命令行選項(xiàng)；對(duì)于映像文件中地址映射關(guān)系比較復(fù)雜的情況，可以使用一個(gè)配置文件。

2.arm映像文件的入口點(diǎn)

2.1 arm映像文件的入口點(diǎn)有兩種類型：一種是映像文件運(yùn)行時(shí)的入口點(diǎn)，稱為初始入口點(diǎn)（initial entry point），另一種是普通入口點(diǎn)（entry point）.

初始入口點(diǎn)是映像文件運(yùn)行時(shí)的入口點(diǎn)，每個(gè)映像文件只有一個(gè)唯一的初始入口點(diǎn)，它保存在ELF頭文件中。如果映像文件是被操作系統(tǒng)加載的，操作系統(tǒng)是通過(guò)跳轉(zhuǎn)到該初始入口點(diǎn)處來(lái)加載該映像文件。

普通的入口點(diǎn)是在匯編中用ENTRY偽操作定義。他通常用于標(biāo)志該段代碼是通過(guò)異常中斷處理程序進(jìn)入的。這樣連接器刪除無(wú)用的段時(shí)不會(huì)將該段代碼刪除。一個(gè)映像文件中可以定義多個(gè)普通入口點(diǎn)。

應(yīng)該注意的是，初始入口點(diǎn)可以使普通入口點(diǎn)，但也可以不是普通入口點(diǎn)。

2.2定義初始入口點(diǎn)

初始入口點(diǎn)必須滿足下面兩個(gè)條件：

* 初始入口點(diǎn)必須位于映像文件的運(yùn)行時(shí)域內(nèi)。
* 飽含初始入口點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)域不能被覆蓋，他的加載地址和運(yùn)行地址必須是相同的。

可以使用連接選項(xiàng)-entry address來(lái)指定映像文件的初始入口點(diǎn)。這時(shí)，address指定了映像文件的初始入口點(diǎn)的地址值。

對(duì)于地址0x0處為rom的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，可以使用-entry 0x0來(lái)指定映像文件的初始入口點(diǎn)。這樣當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到該入口開始執(zhí)行。

如果映像文件是被一個(gè)加載器加載的，該映像文件該映像文件必須包含一個(gè)初始化入口點(diǎn)。這種映像文件通常還包含了其他普通入口點(diǎn)，這些普通入口點(diǎn)一般為異常中斷處理程序的入口地址。

當(dāng)用戶沒(méi)有指定-entry address時(shí)，連接器根據(jù)下面的規(guī)則決定映像文件的初始入口點(diǎn)。

* 如果輸入的目標(biāo)文件中只有一個(gè)普通入口點(diǎn)，該普通入口點(diǎn)被連接器當(dāng)成映像文件的初始入口點(diǎn)。

* 如果輸入的目標(biāo)文件中沒(méi)有一個(gè)普通入口點(diǎn)，或者其中的普通入口點(diǎn)多于一個(gè)，則連接器生成的映像文件中不包含初始入口點(diǎn)，并產(chǎn)生警告信息。

2.3普通入口點(diǎn)的用法

普通入口點(diǎn)是在匯編中用ENTRY 偽操作定義。在嵌入式應(yīng)用中，各異常中斷的處理程序入口使用普通入口點(diǎn)標(biāo)示。這樣連接器在刪除無(wú)用段時(shí)不會(huì)將該段代碼刪除。

一個(gè)映像文件中可以定義多個(gè)普通入口點(diǎn)。沒(méi)有指定連接選項(xiàng)-entry addres時(shí)，如果輸入的目標(biāo)文件中只有一個(gè)普通入口點(diǎn)，該入口點(diǎn)被連接器當(dāng)成映像文件的初始入口點(diǎn)。

3 輸入段的排序規(guī)則

連接器根據(jù)輸入段的屬性來(lái)組織這些輸入段，具有相同屬性的輸入段被放到域中一段連續(xù)的空間中，組成一個(gè)輸出段。在一個(gè)輸出段中，各輸入段的起始地址與輸出段的起始地址和該輸出段中個(gè)輸入段的排列順序有關(guān)。

通常情況下，一個(gè)輸出段中個(gè)輸入段的排列順序由下面幾個(gè)因素決定的。用戶可以通過(guò)連接選項(xiàng)-first和-last來(lái)改變這些規(guī)則。

* 輸入段的屬性。
* 輸入段的名稱
* 各輸入段在連接命令行的輸入段列表中的排列順序

按照輸入段的屬性，其排列順序如下所示：

* 只讀的代碼段
* 只讀的數(shù)據(jù)段
* 可讀寫的代碼段
* 其他已經(jīng)初始化的數(shù)據(jù)段
* 未出世化的數(shù)據(jù)

對(duì)于具有相同屬性的輸入段，按照其名稱來(lái)排序。這是輸入段名稱是區(qū)分大小寫的，按照其ASCII碼順序進(jìn)行排序。

對(duì)于具有相同屬性和名城的輸入段，按照其在輸入段列表中的順序進(jìn)行排序。也就是說(shuō)，幾十個(gè)輸入段的屬性和名稱保持不變，如果其在編譯時(shí)，各輸入段在輸入段列表中的排列順序不同，生成的映像文件也將不同。

可以通過(guò)連接選項(xiàng)-first和-last來(lái)改變這些規(guī)則。如果連接時(shí)使用了配置文件，可以在配置文件中通過(guò)偽屬性FIRST和LAST達(dá)到相同的效果。

連接選項(xiàng)-first和-last不能改變根據(jù)輸入段進(jìn)行排序的規(guī)則，它只能改變根據(jù)輸入段名稱和其在輸入列表中的順序的排序規(guī)則。也就是說(shuō)，如果使用-first指定

一個(gè)輸入段，只有該輸入段所在的輸出段位于運(yùn)行時(shí)域的開始位置時(shí)，該輸入段才能位于整個(gè)運(yùn)行時(shí)域的開始位置。

各個(gè)輸入段排好順序后，在確定各個(gè)輸入段的起始地址之前，何以通過(guò)填充補(bǔ)丁是個(gè)輸入段滿足地址對(duì)齊的要求。

ARM連接器介紹

ARM連接器armlink將編譯得到的ELF格式文件以及相關(guān)的C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)連接生成相應(yīng)的結(jié)果文件。armlink可以完成下面的操作：

* 連接編譯后得到的目標(biāo)文件相應(yīng)的c/c++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，生成可執(zhí)行的影像文件。
* 將一些目標(biāo)文件進(jìn)行連接，生成一個(gè)新的目標(biāo)文件，供將來(lái)進(jìn)一步連接時(shí)使用，這成為部分連接。
* 指定代碼和數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置。
* 生成被連接文件的調(diào)試信息和相互間的引用信息。

Armlink在進(jìn)行部分連接和完全生成可執(zhí)行文件時(shí)作進(jìn)行的操作是不同的。下面分別介紹：

（1）解析輸入的目標(biāo)文件之間的符號(hào)引用關(guān)系。
（2）根據(jù)輸入目標(biāo)文件對(duì)c/c++函數(shù)的調(diào)用關(guān)系，從c/c++運(yùn)行時(shí)庫(kù)中提取相應(yīng)模塊。
（3）將各個(gè)輸入段排序，組成相應(yīng)的輸出段。
（4）刪除重復(fù)的調(diào)試信息。
（5）根據(jù)用戶指定的分組和定位信息，建立映像文件的地址映射關(guān)系。
（6）重定位需要重定位的值。
（7）生成可執(zhí)行的映像文件。

armlink在進(jìn)行部分連接生成新的目標(biāo)文件時(shí)執(zhí)行下面的操作。

（1）刪除重復(fù)的調(diào)試信息
（2）最小化符號(hào)表的大小
（3）保留那些未被解析的符號(hào)
（4）生成新的目標(biāo)文件

下面根據(jù)各armlink的命令行選項(xiàng)的功能分類列舉了armlink的命令行選項(xiàng)，各選項(xiàng)的具體用法將在后面有詳細(xì)地介紹。

* 提供關(guān)于armlink的幫助信息
* 指定輸出文件的名稱和類型：*-output;*-partial;*-elf
* 使用選項(xiàng)文件，其中可以包含一些連接選項(xiàng)。
* 制定可執(zhí)行映像文件的內(nèi)存映射關(guān)系。*-rwpi;*-ropi;*-rw_base;*-ro_base;*-spit;*-scatter
* 控制可執(zhí)行映射文件的內(nèi)容。*-first;*-last
* 生成與映像文件的相關(guān)信息
* 控制armlink生成相關(guān)的診斷信息。