ARM Linux ld指令详解

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。

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。

＊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 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。

/* 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��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 到 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 时 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( 在 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 和 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 位 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 ; 从 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 段 , got 段式是 uboot 自定义的一个段 , 非标准段
        __u_boot_cmd_start = . ; 把 __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 段 , uboot 把所有的 uboot 命令放在该段 .
        __u_boot_cmd_end = .; 把 __u_boot_cmd_end 赋值为当前位置 , 即结束位置
        . = ALIGN(4);
        __bss_start = .; 把 __bss_start 赋值为当前位置 , 即 bss 段的开始位置
        .bss : { *(.bss) }; 指定 bss 段
        _end = .; 把 _end 赋值为当前位置 , 即 bss 段的结束位置