嵌入式链接脚本(Link Script)介绍
1. 概论
每一个链接过程都由链接脚本(linkerscript, 一般以lds作为文件的后缀名)控制. 链接脚本主要用于规定如何把输入文件内的section放入输出文件内, 并控制输出文件内各部分在程序地址空间内的布局. 但你也可以用连接命令做一些其他事情.
连接器有个默认的内置连接脚本, 可用ld--verbose查看. 连接选项-r和-N可以影响默认的连接脚本(如何影响).
-T选项用以指定自己的链接脚本, 它将代替默认的连接脚本。你也可以使用<暗含的连接脚本>以增加自定义的链接命令.
以下没有特殊说明，连接器指的是静态连接器.
. 基本概念
链接器把一个或多个输入文件合成一个输出文件.
输入文件: 目标文件或链接脚本文件.
输出文件: 目标文件或可执行文件.
|
目标文件(包括可执行文件)具有固定的格式, 在UNIX或GNU/Linux平台下, 一般为ELF格式. |
有时把输入文件内的section称为输入section(inputsection), 把输出文件内的section称为输出section(outputsectin).
目标文件的每个section至少包含两个信息: 名字和大小. 大部分section还包含与它相关联的一块数据, 称为section contents(section内容). 一个section可被标记为“loadable(可加载的)”或“allocatable(可分配的)”.
loadable section: 在输出文件运行时, 相应的section内容将被载入进程地址空间中.
allocatable section: 内容为空的section可被标记为“可分配的”. 在输出文件运行时, 在进程地址空间中空出大小同section指定大小的部分. 某些情况下, 这块内存必须被置零.
如果一个section不是“可加载的”或“可分配的”, 那么该section通常包含了调试信息. 可用objdump -h命令查看相关信息.
每个“可加载的”或“可分配的”输出section通常包含两个地址: VMA(virtual memory address虚拟内存地址或程序地址空间地址)和LMA(load memory address加载内存地址或进程地址空间地址). 通常VMA和LMA是相同的.
|
在目标文件中, loadable或allocatable的输出section有两种地址: VMA(virtual Memory Address)和LMA(Load Memory Address). VMA是执行输出文件时section所在的地址, 而LMA是加载输出文件时section所在的地址. 一般而言, 某section的VMA == LMA. 但在嵌入式系统中, 经常存在加载地址和执行地址不同的情况: 比如将输出文件加载到开发板的flash中(由LMA指定), 而在运行时将位于flash中的输出文件复制到SDRAM中(由VMA指定). |
可这样来理解VMA和LMA, 假设:
(1) .data section对应的VMA地址是0x08050000, 该section内包含了3个32位全局变量, i、j和k, 分别为1,2,3.
(2) .text section内包含由"printf( "j=%d ", j );"程序片段产生的代码.
连接时指定.datasection的VMA为0x08050000,产生的printf指令是将地址为0x08050004处的4字节内容作为一个整数打印出来。
如果.datasection的LMA为0x08050000，显然结果是j=2
如果.datasection的LMA为0x08050004，显然结果是j=1
还可这样理解LMA:
.text section内容的开始处包含如下两条指令(intel i386指令是10字节，每行对应5字节):
jmp 0x08048285
movl $0x1,%eax
如果.textsection的LMA为0x08048280,那么在进程地址空间内0x08048280处为“jmp0x08048285”指令,0x08048285处为movl$0x1,%eax指令. 假设某指令跳转到地址0x08048280,显然它的执行将导致%eax寄存器被赋值为1.
如果.textsection的LMA为0x08048285,那么在进程地址空间内0x08048285处为“jmp0x08048285”指令,0x0804828a处为movl$0x1,%eax指令. 假设某指令跳转到地址0x08048285,显然它的执行又跳转到进程地址空间内0x08048285处, 造成死循环.
符号(symbol): 每个目标文件都有符号表(SYMBOL TABLE), 包含已定义的符号(对应全局变量和static变量和定义的函数的名字)和未定义符号(未定义的函数的名字和引用但没定义的符s号)信息.
符号值: 每个符号对应一个地址, 即符号值(这与c程序内变量的值不一样, 某种情况下可以把它看成变量的地址). 可用nm命令查看它们.
3. 脚本格式
链接脚本由一系列命令组成, 每个命令由一个关键字(一般在其后紧跟相关参数)或一条对符号的赋值语句组成. 命令由分号';’分隔开.
文件名或格式名内如果包含分号';'或其他分隔符, 则要用引号'"’将名字全称引用起来. 无法处理含引号的文件名.
/* */之间的是注释。
4. 简单例子
在介绍链接描述文件的命令之前, 先看看下述的简单例子:
术语：把定位器符号
一般就是那个. s
以下脚本将输出文件的text section定位在0x10000, data section定位在0x8000000:
SECTIONS
{
. = 0x10000;
.text : { *(.text) }
. = 0x8000000;
.data : { *(.data) }
.bss : { *(.bss) }
}
解释一下上述的例子:
. = 0x10000 : 把定位器符号置为0x10000 (若不指定, 则该符号的初始值为0).
.text : { *(.text) } : 将所有(*符号代表任意输入文件)输入文件的.textsection合并成一个.textsection,该section的地址由定位器符号的值指定, 即0x10000.
. = 0x8000000 ：把定位器符号置为0x8000000
.data : { *(.data) } : 将所有输入文件的.text section合并成一个.data section, 该section的地址被置为0x8000000.
.bss : { *(.bss) } : 将所有输入文件的.bss section合并成一个.bss section，该section的地址被置为0x8000000+.datasection的大小.
连接器每读完一个section描述后, 将定位器符号的值*增加*该section的大小. 注意: 此处没有考虑对齐约束.
5. 简单脚本命令
- 1 -
|
ENTRY(SYMBOL) :将符号SYMBOL的值设置成入口地址。 |
入口地址(entry point): 进程执行的第一条用户空间的指令在进程地址空间的地址)
ld有多种方法设置进程入口地址, 按一下顺序: (编号越前, 优先级越高)
1, ld命令行的-e选项
2, 连接脚本的ENTRY(SYMBOL)命令
3, 如果定义了start符号, 使用start符号值
4, 如果存在.textsection, 使用.textsection的第一字节的位置值
5, 使用值0
- 2 -
|
INCLUDE filename : 包含其他名为filename的链接脚本 |
相当于c程序内的的#include指令, 用以包含另一个链接脚本.
脚本搜索路径由-L选项指定.INCLUDE指令可以嵌套使用, 最大深度为10. 即: 文件1内INCLUDE文件2, 文件2内INCLUDE文件3... ,文件10内INCLUDE文件11. 那么文件11内不能再出现INCLUDE指令了.
- 3 -
|
INPUT(files): 将括号内的文件做为链接过程的输入文件 |
ld首先在当前目录下寻找该文件, 如果没找到, 则在由-L指定的搜索路径下搜索. file可以为-lfile形式，就象命令行的-l选项一样. 如果该命令出现在暗含的脚本内, 则该命令内的file在链接过程中的顺序由该暗含的脚本在命令行内的顺序决定.
- 4 -
|
GROUP(files) : 指定需要重复搜索符号定义的多个输入文件 |
file必须是库文件, 且file文件作为一组被ld重复扫描，直到不在有新的未定义的引用出现。
- 5 -
|
OUTPUT(FILENAME) : 定义输出文件的名字 |
同ld的-o选项, 不过-o选项的优先级更高. 所以它可以用来定义默认的输出文件名. 如a.out
- 6 -
|
SEARCH_DIR(PATH) ：定义搜索路径， |
同ld的-L选项, 不过由-L指定的路径要比它定义的优先被搜索。
- 7 -
|
STARTUP(filename) : 指定filename为第一个输入文件 |
在链接过程中, 每个输入文件是有顺序的. 此命令设置文件filename为第一个输入文件。
- 8 -
|
OUTPUT_FORMAT(BFDNAME) : 设置输出文件使用的BFD格式 |
同ld选项-oformat BFDNAME, 不过ld选项优先级更高.
- 9 -
|
OUTPUT_FORMAT(DEFAULT,BIG,LITTLE) : 定义三种输出文件的格式(大小端) |
若有命令行选项-EB, 则使用第2个BFD格式; 若有命令行选项-EL，则使用第3个BFD格式.否则默认选第一个BFD格式.
|
TARGET(BFDNAME)：设置输入文件的BFD格式 |
同ld选项-bBFDNAME. 若使用了TARGET命令, 但未使用OUTPUT_FORMAT命令, 则最用一个TARGET命令设置的BFD格式将被作为输出文件的BFD格式.
另外还有一些:
ASSERT(EXP, MESSAGE)：如果EXP不为真，终止连接过程
EXTERN(SYMBOL SYMBOL ...)：在输出文件中增加未定义的符号，如同连接器选项-u
FORCE_COMMON_ALLOCATION：为commonsymbol(通用符号)分配空间，即使用了-r连接选项也为其分配
NOCROSSREFS(SECTION SECTION ...)：检查列出的输出section，如果发现他们之间有相互引用，则报错。对于某些系统，特别是内存较紧张的嵌入式系统，某些section是不能同时存在内存中的，所以他们之间不能相互引用。
OUTPUT_ARCH(BFDARCH)：设置输出文件的machine architecture(体系结构)，BFDARCH为被BFD库使用的名字之一。可以用命令objdump-f查看。
可通过 man-S 1 ld查看ld的联机帮助, 里面也包括了对这些命令的介绍.
6. 对符号的赋值
在目标文件内定义的符号可以在链接脚本内被赋值. (注意和C语言中赋值的不同!) 此时该符号被定义为全局的. 每个符号都对应了一个地址, 此处的赋值是更改这个符号对应的地址.
e.g. 通过下面的程序查看变量a的地址:
/* a.c */
#include <stdio.h>
int a = 100;
int main(void)
{
printf( "&a=0x%p ", &a );
return 0;
}
/* a.lds */
a = 3;
$ gcc -Wall -o a-without-lds a.c
&a = 0x8049598
$ gcc -Wall -o a-with-lds a.c a.lds
&a = 0x3
|
注意: 对符号的赋值只对全局变量起作用! |
一些简单的赋值语句
能使用任何c语言内的赋值操作:
SYMBOL = EXPRESSION ;
SYMBOL += EXPRESSION ;
SYMBOL -= EXPRESSION ;
SYMBOL *= EXPRESSION ;
SYMBOL /= EXPRESSION ;
SYMBOL <<= EXPRESSION ;
SYMBOL >>= EXPRESSION ;
SYMBOL &= EXPRESSION ;
SYMBOL |= EXPRESSION ;
除了第一类表达式外, 使用其他表达式需要SYMBOL被定义于某目标文件。
. 是一个特殊的符号，它是定位器，一个位置指针，指向程序地址空间内的某位置(或某section内的偏移，如果它在SECTIONS命令内的某section描述内)，该符号只能在SECTIONS命令内使用。
注意：赋值语句包含4个语法元素：符号名、操作符、表达式、分号；一个也不能少。
被赋值后，符号所属的section被设值为表达式EXPRESSION所属的SECTION(参看11. 脚本内的表达式)
赋值语句可以出现在连接脚本的三处地方：SECTIONS命令内，SECTIONS命令内的section描述内和全局位置；如下，
floating_point = 0; /* 全局位置 */
SECTIONS
{
.text :
{
*(.text)
_etext = .; /* section描述内 */
}
_bdata = (. + 3) & ~ 4; /* SECTIONS命令内 */
.data : { *(.data) }
}
PROVIDE关键字
该关键字用于定义这类符号：在目标文件内被引用，但没有在任何目标文件内被定义的符号。
例子：
SECTIONS
{
.text :
{
*(.text)
_etext = .;
PROVIDE(etext = .);
}
}
当目标文件内引用了etext符号，确没有定义它时，etext符号对应的地址被定义为.textsection之后的第一个字节的地址。
7. SECTIONS命令
SECTIONS命令告诉ld如何把输入文件的sections映射到输出文件的各个section:如何将输入section合为输出section;如何把输出section放入程序地址空间(VMA)和进程地址空间(LMA).该命令格式如下:
SECTIONS
{
SECTIONS-COMMAND
SECTIONS-COMMAND
...
}
SECTION-COMMAND有四种:
(1) ENTRY命令
(2) 符号赋值语句
(3) 一个输出section的描述(outputsection description)
(4) 一个section叠加描述(overlaydescription)
如果整个连接脚本内没有SECTIONS命令, 那么ld将所有同名输入section合成为一个输出section内, 各输入section的顺序为它们被连接器发现的顺序.
如果某输入section没有在SECTIONS命令中提到, 那么该section将被直接拷贝成输出section。
输出section描述
输出section描述具有如下格式:
SECTION [ADDRESS] [(TYPE)] : [AT(LMA)]
{
OUTPUT-SECTION-COMMAND
OUTPUT-SECTION-COMMAND
...
} [>REGION] [AT>LMA_REGION] [:PHDR :PHDR ...] [=FILLEXP]
[ ]内的内容为可选选项, 一般不需要.
SECTION：section名字
SECTION左右的空白、圆括号、冒号是必须的，换行符和其他空格是可选的。
每个OUTPUT-SECTION-COMMAND为以下四种之一，
符号赋值语句
一个输入section描述
直接包含的数据值
一个特殊的输出section关键字
输出section名字(SECTION)：
输出section名字必须符合输出文件格式要求，比如：a.out格式的文件只允许存在.text、.data和.bsssection名。而有的格式只允许存在数字名字，那么此时应该用引号将所有名字内的数字组合在一起；另外，还有一些格式允许任何序列的字符存在于section名字内，此时如果名字内包含特殊字符(比如空格、逗号等)，那么需要用引号将其组合在一起。
输出section地址(ADDRESS)：
ADDRESS是一个表达式，它的值用于设置VMA。如果没有该选项且有REGION选项，那么连接器将根据REGION设置VMA；如果也没有REGION选项，那么连接器将根据定位符号'.’的值设置该section的VMA，将定位符号的值调整到满足输出section对齐要求后的值，输出section的对齐要求为：该输出section描述内用到的所有输入section的对齐要求中最严格的。
例子：
.text . : { *(.text) }
和
.text : { *(.text) }
这两个描述是截然不同的，第一个将.textsection的VMA设置为定位符号的值，而第二个则是设置成定位符号的修调值，满足对齐要求后的。
ADDRESS可以是一个任意表达式，比如ALIGN(0x10)这将把该section的VMA设置成定位符号的修调值，满足16字节对齐后的。
注意：设置ADDRESS值，将更改定位符号的值。
输入section描述：
最常见的输出section描述命令是输入section描述。
输入section描述是最基本的连接脚本描述。
输入section描述基础：
基本语法：FILENAME([EXCLUDE_FILE(FILENAME1 FILENAME2 ...) SECTION1 SECTION2 ...)
FILENAME文件名，可以是一个特定的文件的名字，也可以是一个字符串模式。
SECTION名字，可以是一个特定的section名字，也可以是一个字符串模式
例子是最能说明问题的，
*(.text) ：表示所有输入文件的.text section
(*(EXCLUDE_FILE (*crtend.o *otherfile.o) .ctors)) ：表示除crtend.o、otherfile.o文件外的所有输入文件的.ctorssection。
data.o(.data) ：表示data.o文件的.datasection
data.o ：表示data.o文件的所有section
*(.text .data) ：表示所有文件的.textsection和.datasection，顺序是：第一个文件的.text section，第一个文件的.data section，第二个文件的.textsection，第二个文件的.datasection，...
*(.text) *(.data) ：表示所有文件的.text section和.data section，顺序是：第一个文件的.textsection，第二个文件的.textsection，...，最后一个文件的.textsection，第一个文件的.datasection，第二个文件的.datasection，...，最后一个文件的.datasection
下面看连接器是如何找到对应的文件的。
当FILENAME是一个特定的文件名时，连接器会查看它是否在连接命令行内出现或在INPUT命令中出现。
当FILENAME是一个字符串模式时，连接器仅仅只查看它是否在连接命令行内出现。
注意：如果连接器发现某文件在INPUT命令内出现，那么它会在-L指定的路径内搜寻该文件。
字符串模式内可存在以下通配符：
* ：表示任意多个字符
：表示任意一个字符
[CHARS]：表示任意一个CHARS内的字符，可用-号表示范围，如：a-z
：表示引用下一个紧跟的字符
在文件名内，通配符不匹配文件夹分隔符/，但当字符串模式仅包含通配符*时除外。
任何一个文件的任意section只能在SECTIONS命令内出现一次。看如下例子，
SECTIONS {
.data : { *(.data) }
.data1 : { data.o(.data) }
}
data.o文件的.datasection在第一个OUTPUT-SECTION-COMMAND命令内被使用了，那么在第二个OUTPUT-SECTION-COMMAND命令内将不会再被使用，也就是说即使连接器不报错，输出文件的.data1section的内容也是空的。
再次强调：连接器依次扫描每个OUTPUT-SECTION-COMMAND命令内的文件名，任何一个文件的任何一个section都只能使用一次。
读者可以用-M连接命令选项来产生一个map文件，它包含了所有输入section到输出section的组合信息。
再看个例子，
SECTIONS {
.text : { *(.text) }
.DATA : { [A-Z]*(.data) }
.data : { *(.data) }
.bss : { *(.bss) }
}
这个例子中说明，所有文件的输入.text section组成输出.text section；所有以大写字母开头的文件的.datasection组成输出.DATAsection，其他文件的.datasection组成输出.datasection；所有文件的输入.bsssection组成输出.bsssection。
可以用SORT()关键字对满足字符串模式的所有名字进行递增排序，如SORT(.text*)。
通用符号(commonsymbol)的输入section：
在许多目标文件格式中，通用符号并没有占用一个section。连接器认为：输入文件的所有通用符号在名为COMMON的section内。
例子，
.bss { *(.bss) *(COMMON) }
这个例子中将所有输入文件的所有通用符号放入输出.bsssection内。可以看到COMMOMsection的使用方法跟其他section的使用方法是一样的。
有些目标文件格式把通用符号分成几类。例如，在MIPSelf目标文件格式中，把通用符号分成standard common symbols(标准通用符