u-boot.lds链接文件详解

GNU编译器生成的目标文件缺省为elf格式，elf文件由若干段（section）组成，如不特殊指明，由C源程序生成的目标代码中包含如下段：

.text(正文段)包含程序的指令代码；
.data(数据段)包含固定的数据，如常量、字符串；
.bss(未初始化数据段)包含未初始化的变量、数组等。

C++源程序生成的目标代码中还包括

.fini(析构函数代码)
.init(构造函数代码)等.

链接器的任务就是将多个目标文件的.text、.data和.bss等段链接在一起，而链接脚本文件是告诉链接器从什么地址开始放置这些段.简而言之，由于一个工程中有多个.c文件，当它们生成.o文件后如何安排它们在可执行文件中的顺序，这就是链接脚本的作用.

这里以u-boot的lds为例说明uboot的链接过程，首先看一下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
...
}

其中，secname和contents是必须的，前者用来命名这个段，后者用来确定代码中的什么部分放在这个段，以下是对这个描述中的一些关键字的解释。

secname：段名
contents：决定哪些内容放在本段，可以是整个目标文件（如start.o），也可以是目标文件中的某段（代码段、数据段等）（如start.o (.text .rodata)）
start：是段的重定位地址，本段链接（运行）的地址，如果代码中有位置无关指令，程序运行时这个段必须放在这个地址上。start可以用任意一种描述地址的符号来描述。
AT（ldadr）：定义本段存储（加载）的地址，如果不使用这个选项，则加载地址等于运行地址，通过这个选项可以控制各段分别保存于输出文件中不同的位置。

例1

/* nand.lds */
SECTIONS {
firtst 0x00000000 : { head.o init.o }
second 0x30000000 : AT(4096) { main.o }
}

其中，

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，即链接和存储地址相同（没有AT指定）；
main.o放在4096（0x1000，是AT指定的，存储地址）开始处，但它的运行地址在0x30000000，运行之前需要从0x1000（加载地址处）复制到0x30000000（运行地址处），此过程也就需要读取 flash，把程序拷贝到相应位置才能运行。存储地址和运行地址，又称为加载时域和运行时域，可以在.lds链接脚本文件中分别指定。

例2

ENTRY(begin)
SECTION
{
     .=0x00300000;
     .text : { *(.text) }
     .data: { *(.data) }
     .bss: { *(.bss) }
}

其中，

ENTRY(begin)指明程序的入口点为begin标号；
.=0x00300000指明目标代码的起始地址为0x00300000，这一段地址可以是SDRAM的起始地址；
.text : { *(.text) }表示从0x00300000开始放置所有目标文件的代码段，
.data: { *(.data) }表示数据段从代码段的末尾开始，
再后是.bss段.

二进制化

链接生成的elf文件不能直接下载到逻辑开发板上执行，通过objcopy工具可生成最终的二进制文件:

arm-linux-objcopy -O binary bootstrap.elf bootstrap.bin

所生成的目标二进制文件bootstrap.bin就可以直接写入Flash中运行了.

其中:

-O binary指定生成为二进制格式文件。

Objcopy还可以生成S格式的文件，只需将参数换成-O srec。

如果想将生成的目标代码反汇编，还可以用objdump工具：

arm-linux-objdump -dS bootstrap.elf

输出可执行程序bootstrap.elf的反汇编代码

其中，

-d:反汇编所有包含指令的段

-D:反汇编所有段

-S:源代码和汇编代码穿插显示（使用-g选项编译）

编写好的.lds文件，在用arm-linux-ld链接命令时带-Tfilename来调用执行，如

arm-linux-ld -Tnand.lds x.o y.o -o xy.o

也用-Ttext参数直接指定链接地址，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。ARM汇编中，常有两种跳转方法：

b跳转指令
ldr指令向PC赋值

要特别注意这两条指令的意思：

b step

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, =step

该指令是一个伪指令编译后会生成以下代码：

ldr pc, 0x30008000
<0x30008000>
step

从内存中的某个位置（step）读出数据并赋给PC，同样依赖当前PC的值，但是偏移量是step的链接地址（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：

relocate: /* 把U-Boot重新定位到RAM */
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的值算出这条指令中“_start"的值，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，因为此值是链接指定的 */

cmp r0, r1 /* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 */

结合u-boot.lds谈谈链接脚本。

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm","elf32-littlearm","elf32-littlearm)    #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;                 #定位当前地址为0地址
    . = ALIGN(4);                   #代码以4字节对齐
    .text :                        #指定代码段：必须将start.o文件放在代码段的开始位置，其它文件可任意放
    {
        cpu/arm920t/start.o (.text) #代码段第一部分，指明start.s是入口程序，被放到代码段开头
        *(.text)                    #其它代码部分.其中的*表示其它任意文件，即所有其它文件的代码段
    }

    . = ALIGN(4);
    .rodata : { *(.rodata) }        #指定只读数据段，RO段

    . = ALIGN(4);
    .data : { *(.data) }            #指定读/写数据段，RW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
}

通过上面的分析可以看出

由于在链接脚本中规定了文件start.o(对应于start.S)作为整个uboot的起始点，因此启动uboot时会执行首先执行start.S
一般来说，内存空间可分为代码段、数据段、全局变量段、未初始化变量区、栈区、堆区等.其中，栈区由指针SP决定，堆区实质上是由C代码实现的，其它段则由编译器决定.从上面的分析可以看出，从0x00000000地址开始，编译器首先将代码段放在最开始的位置，然后是数据段，然后是bss段(未初始化变量区).

附另一链接文件

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS {
  . = 0x30000000;
  . = ALIGN(4);
  .init : AT(0) {start.o nand.o}

  . = ALIGN(4);
  . = 0x30001000;
  .text : AT(4096) { *(.text) }

  .rodata ALIGN(4) : AT((LOADADDR(.text)+SIZEOF(.text)+3)&~(0x03)) { *(.rodata*) }

  .data ALIGN(4) : AT((LOADADDR(.rodata)+SIZEOF(.rodata)+3)&~(0x03)) { *(.data) }

  . = ALIGN(4);
  __bss_start = .;
  .bss :{ *(.bss) *(COMMON)}
  __bss_end = .;
}