ARM arm-ld链接器的作用

feiting94

ARM arm-ld链接器的作用 [复制链接]

如果用过arm交叉编译器，一定看过
arm-ld, arm-as, arm-gcc, arm-nm等一系列工具，它们的用途是干什么的呢？
（1）arm-as 用于将 xxx.s 汇编文件编译为 xxx.o 文件

eg : arm-as -o add.o add.s

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（2）在写多文件工程的时候，每个汇编文件被 arm-as工具单独编译为.o文件，c文件用arm-gcc编译
而arm-ld则将所有的xxx.o 文件链接为二进制执行文件，因此称为链接器
有三种可执行文件：一种是.elf,一种是.bin，.hex是一种特殊的可执行文件

链接器有两个作用：
1.符号解析(Symbol Resolution)
2.重定向（Relocating）

下面以汇编文件为例来讲解：
汇编语句的语法如下：

label: instruction @ comment

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label 为标签， @ 后面是注释语句
instruction是执行的指令
一个简单的加法的例子如下：

.text
start: @ Label, not really required
mov r0, #5 @ Load register r0 with the value 5
mov r1, #4 @ Load register r1 with the value 4
add r2, r1, r0 @ Add r0 and r1 and store in r2
stop: b stop @ Infinite loop to stop execution

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1.符号解析
在单文件工程中，在生成目标文件时，所有指向labels的引用都被它们相应的地址所代替，这是由汇编器（assembler）实现。
但是在多文件工程里面，如果引用的标签是在另一个文件，那么汇编器无法解析，它会将这个标签标记为"unresolved"。当所有的xxx.o传递给链接器的时候，链接器通过具有这个标签的文件来决定这些引用的值。
一个求和的例子如下：
main.s 文件

.text
b start @ Skip over the data
arr: .byte 10, 20, 25 @ Read-only array of bytes
eoa: @ Address of end of array + 1
.align
start:
ldr r0, =arr @ r0 = &arr
ldr r1, =eoa @ r1 = &eoa
bl sum @ Invoke the sum subroutine
stop: b stop

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这里arr 是一个数组。指令首先调到 start, r0寄存器装载arr数组的首地址, r1装载 eoa的地址（其实就是数组的末地址+1），然后跳转到 sum，这里使用bl ，是可返回跳转，lr寄存器会记录当前的位置
sum-sub.s 文件

@ Args
@ r0: Start address of array
@ r1: End address of array
@
@ Result
@ r3: Sum of Array
.global sum
sum: mov r3, #0 @ r3 = 0
loop: ldrb r2, [r0], #1 @ r2 = *r0++ ; Get array element
add r3, r2, r3 @ r3 += r2 ; Calculate sum
cmp r0, r1 @ if (r0 != r1) ; Check if hit end-of-array
bne loop @ goto loop ; Loop
mov pc, lr @ pc = lr ; Return when done

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这里的 sum 里面有一个 Loop循环，结束的条件就是r0 = r1, loop循环里面就是让 r2 = *r0++, r3 += r2
结束之后，调回到lr寄存器记录的位置。

这里.global 的作用声明label对其他文件可见.
在C语言里面，所有变量（variables）在函数外面声明对其他文件是可见的，除非显式声明为static
而在汇编语言里面，所有的标签（label）都是只对本文件可见，除非使用.global显式声明。

使用nm工具可以查看xxx.o文件的所有符号标签

$ arm-nm main.o
00000004 t arr
00000007 t eoa
00000008 t start
00000018 t stop
U sum
$ arm-nm sum-sub.o
00000004 t loop
00000000 T sum

复制代码

这里 "t" 表示这个符号是被定义的
"U" 表示这个符号没有被定义（undefined）
"T" 表示这个符号是全局的(.global)

2. 重定向
重定向是改变已经分配给label的地址的过程，这包含链接所有的标签引用来反映新的分配的地址
重定向执行的原因有两个：段合并（section merging）和段放置（section placement）
要想了解重定向的过程吗，首先得了解段（section）的概念
代码和数据有不同的运行要求。比如，代码是放置在只读Memory，而数据要求可读可写的Memory
如果代码和数据没有交错分布在memory里面，这就很方便实现。
基于这一目的，我们将program 分成一个一个的段
大部分的program至少有两个段，一个 .text 段用于代码，一个.data段用于数据
汇编器通过 xxx.s文件的 .text 和 .data 来识别要放到哪一个段里面

想象一个段是一个篮子。当汇编器一条一条指令编译的时候，它根据指示将 code 和data 放到各自的篮子里面。
如图所示

（1）段合并：
在执行多文件工程时，具有相同名字的段（比如： .text）可能会出现。链接器负责将输入文件（xxx.o）的段合并。默认情况下，每个文件相同名字的段连续放置，并且标签引用指向新的地址。

$ arm-nm main.o
00000004 t arr
00000007 t eoa
00000008 t start
00000018 t stop
U sum
$ arm-nm sum-sub.o
00000004 t loop ❶
00000000 T sum
$ arm-ld -Ttext=0x0 -o sum.elf main.o sum-sub.o
$ arm-nm sum.elf
...
00000004 t arr
00000007 t eoa
00000008 t start
00000018 t stop
00000028 t loop ❷
00000024 T sum

复制代码

还是前面的例子，在经过链接器之后 , sum-sub.o 里面 .text段的标签 loop 被放在 main.o .text段的后面地址发生改变。而且main.o里面没有被解析的sum标签被解析为新的地址

（2）段放置
在段被编译之后，每个段都被假定从地址0开始。每个标签都被分配相对于段起始位置的地址。当最终的可执行文件创建的时候，段的起始地址变为X，那么段里面所有定义的标签地址都增加X。
段放置的效果可以看每个 .o文件和最终的可执行文件的符号表（symbol table）
下面的例子里面我们将.text段放置在 0x100位置

$ arm-none-eabi-as -o sum.o sum.s
$ arm-none-eabi-nm -n sum.o
00000000 t entry ❶
00000004 t arr
00000007 t eoa
00000008 t start
00000014 t loop
00000024 t stop
$ arm-none-eabi-ld -Ttext=0x100 -o sum.elf sum.o ❷
$ arm-none-eabi-nm -n sum.elf
00000100 t entry ❸
00000104 t arr
00000107 t eoa
00000108 t start
00000114 t loop
00000124 t stop
...

复制代码

注1 ： xxx.o 文件的段的起始位置是从0开始的
2：在经过链接器之后， .text段被放置在0x100处
3 : 所有的标签都被重新解析和定向，放置在新的位置

下面是整个过程

白丁

多谢楼主分享

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