arm-linux连接以及连接脚本

前言：arm linux的连接工具可以使用arm-linux-ld，在进行连接时可以使用-T命令采用脚本控制，如不指明脚本，则使用默认的脚本文件，参见arm-linux-ld的缺省linker script。

一. 目标文件格式与类型

GNU C compiler根据源文件的后缀名来对文件进行预处理、汇编或编译操作。在编译链接时，生成的目标文件都是ELF格式的(可执行链接格式，Executable and Linking Format)。Object文件格式有三种类型：

(1)可重定位(relocatable)文件：用来和其他的object文件一起链接为一个可执行文件(executable)或一个共享文件(.so文件，shared object)。

(2)可执行(executable)文件；

(3)共享目标文件(shared object file)：用于被下面的两个链接器链接。一是链接编辑器(ld)，可以和其他的relocatable或shared object file来创建其他的目标文件，例如.so共享库(可用file命令查看其属性)；二是动态链接器，联合一个可执行文件和其他的shared object file来创建一个进程映像。

 

二. 链接与链接脚本

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。

 

1. 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。

一个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。

2. 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：

sectionname [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。

3. 举例

下面看一个常用的用于分散加载（即存储或加载地址<加载域>和链接或运行地址<运行域>不同）的格式：

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

secname和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。

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。

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。

4. ARM汇编中实现跳转

由于会使用分散加载，因此在使用汇编实现跳转时应该注意。ARM汇编中，常有两种跳转方法：b跳转指令、ldr指令向PC赋值。

（1）       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。

（2）       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），因此不管最终程序在什么地方运行，所得到的都是同样的地址（绝对地址），所以可以用它实现从Flash到RAM的程序跳转。

参考资料：

1. arm-linux bootloader预备之GNU ld机理，http://blog.21ic.com/user1/1028/archives/2008/47653.html

2. 对.lds连接脚本文件的分析，http://blog.chinaunix.net/u1/58780/showart.php?id=462971

3. 用GNU工具开发基于ARM的嵌入式系统，http://blog.163.com/liren0@126/blog/static/32897598200821211144696/