GNU LD 手冊略讀 (2): Chapter 3.6 SETCIONS

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本篇目錄

• SECTIONS命令
• 輸出object檔案的section描述
  • 輸入object檔案的section 基礎概念
  • 輸入object檔案的section 語法的萬用字元
  • 輸入object檔案的COMMOM section
  • KEEP指令
  • 輸入object檔案放到輸出object檔案範例
• 輸出object檔案section 命名
• 輸出object檔案section 命令: address欄位
• 輸入object檔案的section描述
• 輸出object檔案內指定固定資料長度
• 輸出object檔案捨棄的section
• 輸出object檔案section其他屬性
  • 輸出object檔案 Section Type
  • 輸出object檔案 Section LMA
  • 強制輸出object檔案的 Alignment
  • 強制輸入object檔案的 Alignment
  • 輸出object檔案 Section 限制
  • 輸出object檔案 Section Region
  • 輸出object檔案 Section Phdr
  • 指定輸出object檔案 Section 填空的資料
• OVERLAY命令

SETCIONS命令

其實一開始是為了看懂這個命令才會想看linker script的。如果接觸過很小型的Embedded OS就會發現很多都是自幹linker script；而這些scripts主要的描述命令就是SETCIONS命令。

好了，廢話少說，進入主題。SETCIONS命令命令的功用是

• 告訴linker怎麼把輸入object檔案中的SETCIONS命令對應到輸出object檔案中的sections
• 告訴loader object檔案中的sections要放到記憶體那些地方

SECTIONS命令長這樣子：

SECTIONS
{
	sections-command
	sections-command
	...
}

望文生義地猜測可以這樣理解： 輸出object有一些大方向的規範，並且分為不同的section，每個section有他自己的規範。

而sections-command可以分為下面幾種功能

• ENTRY命令
• 設定symbol的值
• 描述輸出object檔案的setcion
• Overlay描述 (不知道是三小)

要注意的事，如果你自幹的linker script沒有描述輸出object檔案的setcion的話，linker會

• 讀輸入object檔案section時，如果該section第一次出現，就在輸出object檔案中加入同樣名稱的section，直到處理完所有的輸入object檔案
• 第一個吃到的輸入object檔案section將當作位址0的起始點

輸出object檔案的section描述

section [address] [(type)] :
	[AT(lma)]
	[ALIGN(section_align) | ALIGN_WITH_INPUT]
	[SUBALIGN(subsection_align)]
	[constraint]
	{
		output-section-command
		output-section-command
		...
	} [>region] [AT>lma_region] [:phdr :phdr ...] [=fillexp]

其中output-section-command的功能有

• 設定symbol的值
• 描述輸入object檔案中的section要怎麼放到輸出object檔案的setcion
• 輸出object檔案的setcion的資料存放格式如alignment等
• 其他

這邊很多術語需要先搞清楚，先列出來，希望之後可以看到解答

• type
• region
• AT(lma)
• lma_region

輸出object檔案的section 命名

• 必須符合你要輸出object檔案binary format規定。

輸出object檔案section 命令: address欄位

address是section的一個optional欄位，使用的記憶體空間為VMA。如果沒有指定的話，linker會依下面的方式設定輸出object檔案section 的VMA。該VMA會遵循section 的alignment規範。

• 有設定region的話就從region內剩餘空間開始位址
• 有使用MEMORY命令定義硬體記憶區塊的話，從定義的區塊中挑第一個符合SECTION的區塊。再將address設成該區塊內剩餘空間開始位址
• 以上皆非的情況下，位址設成locale counter

address欄位因為可以使用exression所以可能有下面的陷阱

• .text . : { *(.text) }
• .text : { *(.text) } 這兩個差一個.，意義就差很多。沒有.那個，表示沒有設定address，所以就是設成locale counter，並且linker會保證alignment。而有.的就表示hardcode成locale counter，所以有可能會有alignment的問題。

另外一點要注意的設定後locale counter也會跟著改變。

輸入object檔案的section描述

這部份可以說是整個output-section-command的重點，目的是告訴linker讀取輸入object檔案後，怎麼把這些檔案裡面的section複製到輸出object檔案裡面適當地section。

輸入object檔案的section描述可以被分為下面幾個部份

• 輸入object檔案的section 基礎概念
• 輸入object檔案的section 語法的萬用字元
• 輸入object檔案的COMMOM section
• KEEP指令
• 輸入object檔案放到輸出object檔案範例

輸入object檔案的section 基礎概念

格式為檔案(section1 section2 ...)，檔案支援萬用字元。

所以常看到的*(.text)的意思是：所有輸入object檔案裡面的.text section。

指定多個section的方式有兩種

• *(.sec1 .sec2)：如果輸入object有兩個檔案的話，輸出object檔案裡面section會變成

• *(.sec1) *(.sec2): 如果輸入object有兩個檔案的話，輸出object檔案裡面section會變成

你也可以根據flag區分object檔案的section，範例如下

SECTIONS {
	.text : { INPUT_SECTION_FLAGS (SHF_MERGE & SHF_STRINGS) *(.text) }
	.text2 :  { INPUT_SECTION_FLAGS (!SHF_WRITE) *(.text) }
}

望文生義可以看到上面的規範就是

• 所有輸入object檔案的.textsection flag有SHF_MERGE 和 SHF_STRINGS的，請放在輸出object檔案的.text section
• 所有輸入object檔案的.textsection flag沒有SHF_WRITE的，請放在輸出object檔案的.text2 section

你如果對於範例中的flag有興趣，可以看這邊, 這邊，還有這邊。我目前還不想看就是了。

另外指定輸入object檔案部份，除了指定單獨的輸入object檔案，還可以指定archieve (如libwen.a, libc.a)裡面的object檔案，用法如下 archive:file，隨便猜一個範例libc.a:fprintf.o

輸入object檔案的section 語法的萬用字元

支援 *：任何長度的任何字元 ?：單一任何字元 []：單一字元有效的範圍如[a-z]指小寫英文字母 \：接下來的字元不是萬用字元，如\*

由於linker複製section的方式是多個條件滿足的話，選第一個條件滿足就處理，所以配合萬用字元可能會產生意想不到的錯誤，範例如下

.data : { *(.data) }
.data1 : { data.o(.data) }

由於複製section的方式是第一個條件滿足就處理，所以會造成data.o的.data section放字輸出object檔案的.data section而不是.data1 section。手冊提供了建議處理方式，有興趣的可以參考。

輸入object檔案的COMMOM section

• 這邊有提到common symbol存在的原因。手冊中更進一步的提到在輸出object檔案時的命令大概是這樣：

.bss { *(.bss) *(COMMON) }

也就是說，最後沒特別狀況，就把輸入object 檔案的COMMON section放在.bss section。

KEEP指令

• KEEP(要保留的section)：因為linker有garbage collection，如果要保證section不會被回收，可以用該指令。

輸入object檔案放到輸出object檔案範例

SECTIONS {
	outputa 0x10000 :
	{
		all.o
		foo.o (.input1)
	}
	outputb :
	{
		foo.o (.input2)
		foo1.o (.input1)
	}
	outputc :
	{
		*(.input1)
		*(.input2)
	}
}

以圖示就是

輸出object檔案內指定固定資料長度

• 長度單位命令(expression)
  • 長度單位命令
    • BYTE：1 byte
  • SHORT：2 bytes
  • LONG：4 bytes
  • QUAD：8 byte

以下的命令將會佔 5 bytes，第一個byte後面4個bytes將用來存放addr (如果我英文沒看錯的話，原文是store the byte 1 followed by the four byte value of the symbol addr':)。BYTE(1)LONG(addr)`

關於64-bit的目前沒心情看，跳過。

至於endian的部份，如果輸出的object檔案有規範，則依該規範存放，否則則遵守第一個讀入的輸入object檔案。

• FILL(expression)：section內沒使用的空間將被填入expression計算後的數字。同樣效果的命令是[=fillexp]，忘記這是啥嗎?我也忘了，所以回去找了一下

3.6.6看不懂，跳過。

輸出object檔案捨棄的section

為什麼要丟掉？原因是在設定輸出section的script有提到特定的section，但是link完畢後發現所有輸入object檔案都沒有該section的symbol。最後就是把這些section丟掉。

另外一個情況是輸入object檔案有/DISCARD/既然就說要丟了就恭敬不如從命了。

輸出object檔案section其他屬性

還記得前面的格式嘛？再複習一下:

section [address] [(type)] :
	[AT(lma)]
	[ALIGN(section_align) | ALIGN_WITH_INPUT]
	[SUBALIGN(subsection_align)]
	[constraint]
	{
		output-section-command
		output-section-command
		...
	} [>region] [AT>lma_region] [:phdr :phdr ...] [=fillexp]

前面篇幅已經說明瞭section，address，以及output-section-command等語法和命令，我們接著要介紹其他部份如下

• 輸出object檔案 Section Type
• 輸出object檔案 Section LMA
• 強制輸出的 Alignment
• 強制輸入的 Alignment
• 輸出object檔案 Section 限制
• 輸出object檔案 Section Region
• 輸出object檔案 Section Phdr
• 指定輸出object檔案 Section 填空的資料

輸出object檔案 Section Type

有支援

• NOLOAD
  • 當程式執行的時候不載入到記憶體（想像ROM或是NOR FLASH）
• DSECT
• COPY
• INFO
• OVERLAY
  • 上面四個是為了往前相容保留的type，基本上很少用了。用途都相同，指定該區段不可以分配記憶體。不過我本身不懂什麼情況下不要分配記憶體就是了。

基本上type繼承輸入object中的type，不過你要硬上就是在輸出object檔案描述，範例如下。該範例顯示ROM 區段起始位址為0，並且在該section執行程式不要載入到記憶體。

SECTIONS {
	ROM 0 (NOLOAD) : { ... }
	...
}

輸出object檔案 Section LMA

前情回顧

• VMA
• LMA

設定輸出object檔案的VMA是在address欄位中指定。請比對section描述格式的address。

而LMA就是section描述格式的AT(lma)和AT>lma_region這兩個部份了。這兩個指令是optional的。他們的差別是：

• AT(lma)中間的lma是透過expression算出來的lma位址
• AT>lma_region是指定MEMORY裡面描述的region

如果你的section沒有指定LMA的話，linker會使用下面的規則決定LMA

• address欄位中指定VMA，則LMA = VMA
• section為allocatable，則LMA = VMA
• 有設定region的情況在滿足下面的條件下，把VMA和LMA的差距會被設成該region裡面最後一個section中VMA和LMA的差距。
  • section滿足region條件(三小條件?)
  • 該region已經有最少一個section
• 沒有設定region的情況在找不到相容的region，linker會指令預設包含所有memory space的region，從裡面挑一個section，把VMA和LMA的差距會被設成該region裡面最後一個section中VMA和LMA的差距。 (三小？為什麼要這樣做？）
• 找不到合適的region放section的話，就閉著眼睛把LMA = VMA吧。

來點範例，這是一個嵌入式系統，假設所有的資料都放在唯讀記憶體中。那麼會發生什麼事呢？那就是你的i++就GG了，所以要把變數部份還有其他需要寫入的部份放在RAM中，所以這個script顯示了

• VMA的0x1000的位址放程式碼
• VMA的0x2000放有初始化的全域變數，而這些初始值從那邊搬到記憶體呢來呢？就是LMA描述的東西，望文生義可以知道是接在.text之後的資料。
• VMA的0x3000就是放未初始化的全域變數

SECTIONS
{
		.text 0x1000 : { *(.text) _etext = . ; }
		.mdata 0x2000 :
			AT ( ADDR (.text) + SIZEOF (.text) )
			{ _data = . ; *(.data); _edata = . ;  }
		.bss 0x3000 :
			{ _bstart = . ;  *(.bss) *(COMMON) ; _bend = . ;}
}

當然事情沒那麼簡單，這邊只有講layout。在沒有OS幫你搞定的時候什麼事都要自己來，所以你還要自己把有初始化的全域變數一個一個搬到RAM裡面如下。請仔細比對變數和script的symbol。另外如果有興趣看CMSIS(Cortex Microcontroller Software Interface Standard)的source code也可以看到類似的行為。

extern char _etext, _data, _edata, _bstart, _bend;
char *src = &_etext;
char *dst = &_data;

/* ROM has data at end of text; copy it.  */
while (dst < &_edata)
	*dst++ = *src++;

/* Zero bss.  */
for (dst = &_bstart; dst< &_bend; dst++)
	*dst = 0;

強制輸出object檔案的 Alignment

請使用ALIGN，或是使用ALIGN_WITH_INPUT將讀入的object檔案中的section設定成你要的alignment。

強制輸入object檔案的 Alignment

請使用SUBALIGN 去指定輸入object檔案單一個section的alignment。

輸出object檔案 Section 限制

• ONLY_IF_RO
  • 當輸入object檔案符合條件的section為唯讀才產生你要的輸出object檔案section
• ONLY_IF_RW
  • 當輸入object檔案符合條件的section為可讀寫才產生你要的輸出object檔案section

輸出object檔案 Section Region

使用>MEMORY_指令_宣告的region

範例，把.text放ROM section，該section位址是在硬體rom記憶體區塊。

MEMORY { rom : ORIGIN = 0x1000, LENGTH = 0x1000 }
SECTIONS { ROM : { *(.text) } >rom }

輸出object檔案 Section Phdr

PHDR 是ELF的program header縮寫，又稱為segment。當ELF loader載入ELF執行檔的時候，會看這些segment決定要如何把讀入的檔案放在記憶體中，這部份和ABI有關係，按下不表，等我那天心情好再來看ELF和ABI。

section描述格式中phdr的用法是

• 宣告一個phdr
• 指令特定的section屬於該phdr

範例如下

PHDRS { text PT_LOAD ; }
SECTIONS { .text : { *(.text) } :text }

指定輸出object檔案 Section 填空的資料

前面FILL講到指令填空的資料。而section描述格式中=fillexp也有相同效果，範例如下

SECTIONS { .text : { *(.text) } =0x90909090 }

OVERLAY命令

Overlay是一種在記憶體小於執行檔案時的技巧。其基本概念就是

• 把程式切成不同模組
• 載入單個模組到記憶體並執行，當程式行為Z要另外一個模組的話，就釋放目前模組，再載入新的模組到記憶體並執行。

對應到linker script就會格式這樣

OVERLAY [start] : [NOCROSSREFS] [AT ( ldaddr )]
{
	secname1
	{
		output-section-command
		output-section-command
	...
	} [:phdr...] [=fill]
	secname2
	{
		output-section-command
		output-section-command
		...
	} [:phdr...] [=fill]
...
} [>region] [:phdr...] [=fill]

OVERLAY命令中除了OVERLAY和section 名稱以外其他都是optional。另外要注意的是OVERLAY命令不允許region和address的描述。而在OVERLAY最後面的資料固定為OVERLAY起始位址 + 最大section的size

由於OVERLAY就是動態切換並執行不同section，所以在VMA的位址會固定。這表示所有的section的VMA會相同。為了方便，linker會把所有OVERLAY中的section串接成連續的空間。

OVERLAY用法如下

• linker script設定OVERLAY
• 程式語言視情況需要切換時「人肉」搬移OVERLAY裡面的section到記憶體

「人肉」搬移表示我們需要

• section 起始位址
• section 結束位址

這部份linker會自動幫我們加入symbol，規則如下，很容易望文生義所以就不解釋了。

• __load_start_section_名稱
• __load_stop_section_名稱

那麼現在看一下手冊上面的範例

OVERLAY 0x1000 : AT (0x4000)
{
	.text0 { o1/*.o(.text) }
	.text1 { o2/*.o(.text) }
}

還記得address和AT命令嗎？一個是指定VMA另外一個是指定LMA。所以上面的設定白話文就是

• 我要一個overlay，從0x4000載入到0x1000的記憶體內
• 這個overlay有.text0和.text1兩個section
• .text0裡面放的是o1目錄下所有object檔案中的.text
• .text1裡面放的是o2目錄下所有object檔案中的.text

那麼人肉搬移要怎麼處理呢？手冊列出如下

	extern char __load_start_text1, __load_stop_text1;
	memcpy ((char *) 0x1000, &__load_start_text1,
	      	&__load_stop_text1 - &__load_start_text1);

可以看到，我們說要從LMA搬到VMA，LMA的位址就由symbol內容提供。

另外手冊這個section我跳過一些東西，有興趣的朋友可以去超級比一比。

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