Linker script,就是給Linker 看的script。

Linker

當然這樣是在講廢話,首先要先知道Linker 是什麼:
在程式編譯成物件檔之後,會把所有的物件檔集合起來交給連結器(linker),Linker 會把裡面的符號位址解析出來,定下真正的位址之後,連結成可執行檔。

例如我們在一個簡單的C 程式裡,include 一個標頭檔並使用裡面的函數,或者用extern 宣告一個外部的變數,在編譯成標頭檔的時候, 編譯器並不清楚最終函數和變數的真正位址,只會留下一個符號參照。
待我們把這些東西送進linker,linker就會把所有的標頭檔整理起來,把程式碼的部分整理起來、變數的部分整理起來, 然後知道位址了就把位址都定上去,如果有任何無法解析的符號,就會丟出undefined reference error。

我們可以試試:
外部函數,在一個foo.h 裡宣告,並在foo.c 裡面定義:

// foo.c
int foo();

外部變數,在var.c 裡面定義

// var.c
int var;

在main.c 裡面引用它們:

// main.c
#include "foo.h"
extern int var;
int main(){
    var = 10000;
    foo();
    return 0;
}

開始編譯

gcc -c main.c
gcc -c foo.c

這樣我們就得到兩個物件檔 main.o跟foo.o,我們可以用objdump -x 把物件檔main.o的內容倒出來看看,其中有趣的就是這個:

SYMBOL TABLE:
0000000000000000 g F .text 000000000000002a main
0000000000000000 *UND* 0000000000000000 var
0000000000000000 *UND* 0000000000000000 foo RELOCATION RECORDS FOR [.text]:
OFFSET TYPE VALUE
0000000000000011 R_X86_64_PC32 var-0x0000000000000008
000000000000001f R_X86_64_PC32 foo-0x0000000000000004

可以看到var, foo 這兩個符號還是未定(UND, undefined),若我們此時強行連結,就會得到:

$ ld main.o
main.c:(.text+0x11): undefined reference to 'var'
main.c:(.text+0x1f): undefined reference to'foo'

必須把foo.o 跟var.o 兩個檔案一起連結才行。

Linker script

好了Linker講了這麼多,那linker script 呢?

Linker script 可以讓我們對 linker 下達指示,把程式、變數放在我們想要的地方,一般的gcc 都有內建的linker script, 平常我們開發x86系統跟arm系統,會使用不同的gcc,就是在這些預設的設定上有所不同,要是把這團亂七八糟的東西每key一次gcc 都要重輸入就太麻煩了; 可以用ld –verbose 輸出,這裡看到的是支援x86 系統的linker script ,講下去又另一段故事,先跳過不提。

我們這裡拿燒錄在 STM32 硬體上的linker script 來講,linker script 可見:

Linker 的作用,就是把輸入物件檔的section整理成到輸出檔的section,最簡單的linker script 就是用SECTIONS指令去定義section 的分佈:

SECTIONS
{
    . = 0x10000;
    .text : { *(.text) }
    . = 0x8000000;
    .data : { *(.data) }
    .bss : { *(.bss) }
}

在Linker script 裡面,最要緊的就是這個符號 ‘.’ location counter,你可以想像這是一個探針,從最終執行檔的頭掃到尾, 而 ‘.’ 這個符號就指向現在掃到的位址,你可以讀取現在這個探針的位址,也可以移動探針。

不指定的話location counter 預設會從0的位置開始放置,而這段script,先把location counter 移到0x10000,在這裡寫入.text section,再來移到0x8000000放.data 跟.bss。
這裡檔名的match 支援適度的正規表示式,像 *, ?, [a-z] 都可以使用,在這裡用wildcard直接對應到所有輸入檔案的sections。
光是SECTION 就講不清的用法:

  • 把指定某檔案的Section (file.o(.data))
  • 排除某些檔案的section (EXCLUDE_FILE)

幸運的是,通常我們都不會想不開亂改linker script,這些位置的放法要看最終執行的硬體而定,亂放不會有什麼好下場。

另外linker script 也定義一些指令,這裡列一些比較常用的:

ENTRY:

另外我們可以用ENTRY指定程式進入點的符號,不設定的話linker會試圖用預設.text 的起始點,或者用位址0的地方; 在x86 預設的linker script 倒是可以看到這個預設的程式進入點:

ENTRY(_start)

Symbol

既然linker script 是用來解析所有符號的,那它裡面能不能有符號,當然可以,但有一點不同, 一般在C 語言裡寫一個變數的話,它會在symbol table 裡面指明一個位址,指向一個記憶體空間,可以對該位址讀值或賦值; 而在linker script 裡的符號,就只是將該符號加入symbol table內,指向一個位址,但位址裡沒有內容,在 linker script 裡定義這個符號就是要操作記憶體特定位址:
以上面的STM32 硬體為例,因為FLASH 記憶體被map 到0x00000000,RAM的資料被指向0x20000000, 為了把資料從FLASH 搬到RAM 裡,在linker script 的RAM 兩端,加上了:

_sidata = .;
//in FLASH _sdata = .;
_edata = .;

等於是把當前 location counter 這根探針指向的位址,放到_sdata 這個符號裡面,所以在主程式中,就能向這樣取用RAM 的位址:

extern uint32_t _sidata;
extern uint32_t _sdata;
extern uint32_t _edata;

uint32_t *idata_begin = &_sidata;
uint32_t *data_begin = &_sdata;
uint32_t *data_end = &_edata;
while (data_begin < data_end) *data_begin++ = *idata_begin++;

注意我們用reference 去取_sdata, _edata 的位址,這是正確用法。

PROVIDE

Linker script 還定義了PROVIDE 指令,來避免linker script 的符號跟C中相衝突,上面如果在C程式裡有_sdata的變數,linker 會丟出雙重定義錯誤,但如果是

PROVIDE(_sdata = .)

就不會有這個問題。

KEEP

KEEP 指令保留某個符號不要被最佳化掉,在script 裡面isr_vector是exception handler table,如果不指定的話它會被寫到其他區段, 可是它必須放在0x0的地方,因此我們用KEEP 把它保留在0x0上。

MEMORY:

Linker 預設會取用全部的記憶體,我們可以用MEMORY指令指定記憶體大小,例子中我們指定了FLASH跟RAM的輸出位置與大小:

MEMORY {
    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 128K
    RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 40K
}

接著我們在上面的SECTION部分,就能用 > 符號把資料寫到指定的位置
也就是例子裡,把 .text section全塞進 FLASH位址的寫法,如果整體程式碼大於指定的記憶體,linker 也會回報錯誤。

結語:

Linker 其實是個古老而複雜的東西,Linker script 裡面甚至有OVERLAY這個指令,來處理overlay 的執行檔連結, 但一般來說,除非是要寫嵌入式系統,需要對執行檔的擺放位置做特別處理,否則大部分的程式都不會去改linker script,都直接用預設的組態檔下去跑就好了。

這篇只介紹了極限基本的linker script,完整內容還是請看文件 吧。