了解 ARM Cortex-M 微控制器的链接描述文件

Question

我使用的是 STMicroelectronics 的 STM32F746NG 微控制器。该设备基于 ARM Cortex-M7 架构。我花了很多时间来理解示例项目中的 linkerscript。我弄清楚了基础知识，但我仍然无法掌握其中的大部分内容。请帮助我理解这些部分。

link脚本开始

link脚本开始如下：

/* Entry Point */
ENTRY(Reset_Handler) /* The function named 'Reset_Handler' is defined */
                     /* in the 'startup.s' assembly file.             */

/* Highest address of the user mode stack */
/* Remember: the stack points downwards */
_estack = 0x20050000;    /* End of RAM */

/* Generate a link error if heap and stack don't fit into RAM */
_Min_Heap_Size = 0x200;  /* Required amount of heap  */
_Min_Stack_Size = 0x400; /* Required amount of stack */

/* --------------------------------------------------------------------*/
/*                    MEMORY AREAS                                     */
/* --------------------------------------------------------------------*/
MEMORY
{
    /* FLASH MEMORY */
    /* ------------ */
    /* Remember: the flash memory on this device can   */
    /* get accessed through either the AXIM bus or the */
    /* ITCM bus. Accesses on the ITCM bus start at     */
    /* address 0x0020 0000. Accesses on the AXIM bus   */
    /* at address 0x0800 0000.                         */
    FLASH (rx)     : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 1024K
    /* FLASH (rx)     : ORIGIN = 0x00200000, LENGTH = 1024K */

    /* RAM MEMORY */
    /* ---------- */
    RAM (xrw)      : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 320K
}

矢量图table和程序代码

定义内存区域后，linkerscript 继续定义部分。 linkerscript 中定义的第一部分是向量 table。它必须在闪存的第一个字节结束。

/* --------------------------------------------------------------------*/
/*                    OUTPUT SECTIONS                                  */
/* --------------------------------------------------------------------*/
SECTIONS
{
    /****************************/
    /*      VECTOR TABLE        */
    /****************************/
    .isr_vector :
    {
        . = ALIGN(4);
        KEEP(*(.isr_vector)) /* Vector Table */
        . = ALIGN(4);
    } >FLASH

向量table插入后，是程序代码的时候了：

    /****************************/
    /*      PROGRAM CODE        */
    /****************************/
    .text :
    {
        . = ALIGN(4);
        *(.text)           /* .text sections (code) */
        *(.text*)          /* .text* sections (code) */
        *(.glue_7)         /* Glue ARM to Thumb code */
        *(.glue_7t)        /* Glue Thumb to ARM code */
        *(.eh_frame)


        /* Note: The function ‘.text.Reset_Handler’ is one of the *(.text*) sections,      */
        /* such that it gets linked into the output .text section somewhere here.          */
        /* We can verify the exact spot where the Reset_Handler section is positioned, by  */
        /* examining the second entry of the vector table.                                 */
        /* A test has given the following results:
        /*    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x0800 0000    ==>  Reset_Handler = 0x0800 1C91        */
        /*    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x0020 0000    ==>  Reset_Handler = 0x0020 1CB9        */
        /*
        /* In both cases, the Reset_Handler section ends up a few hundred bytes after the  */
        /* vector table in Flash. But in the first case, the “Reset_Handler” symbol points */
        /* to the Reset-code through AXIM-interface, whereas in the latter case it points  */
        /* to the Reset-code through the ITCM-interface.                                   */


        KEEP (*(.init))
        KEEP (*(.fini))

        . = ALIGN(4);
        _etext = .;        /* Define a global symbol at end of code */

    } >FLASH

linkerscript 定义了 e_text 全局符号，表示闪存中程序代码结束的地址。

常量数据

只读数据最终也存储在闪存中（将其放入易失的 RAM 中毫无意义）。 linkerscript 定义 .rodata 部分应该在 flash:

    /****************************/
    /*      CONSTANT DATA       */
    /****************************/
    .rodata :
    {
        . = ALIGN(4);
        *(.rodata)         /* .rodata sections (constants, strings, etc.) */
        *(.rodata*)        /* .rodata* sections (constants, strings, etc.) */
        . = ALIGN(4);
    } >FLASH

flash 中的神秘部分

在定义了常量只读数据的位置之后，linkerscript 定义了几个 'mysterious' 部分也应该在闪存中结束：

    .ARM.extab :
    {
        *(.ARM.extab* .gnu.linkonce.armextab.*)
    } >FLASH
    .ARM :
    {
        __exidx_start = .;
        *(.ARM.exidx*)
        __exidx_end = .;
    } >FLASH
    .preinit_array :
    {
        PROVIDE_HIDDEN (__preinit_array_start = .);
        KEEP (*(.preinit_array*))
        PROVIDE_HIDDEN (__preinit_array_end = .);
    } >FLASH
    .init_array :
    {
        PROVIDE_HIDDEN (__init_array_start = .);
        KEEP (*(SORT(.init_array.*)))
        KEEP (*(.init_array*))
        PROVIDE_HIDDEN (__init_array_end = .);
    } >FLASH
    .fini_array :
    {
        PROVIDE_HIDDEN (__fini_array_start = .);
        KEEP (*(SORT(.fini_array.*)))
        KEEP (*(.fini_array*))
        PROVIDE_HIDDEN (__fini_array_end = .);
    } >FLASH

我不知道那些部分是什么。所以让这成为第一个问题。这些部分是什么，它们出现在哪些目标文件中？如您所知，linkerscript 需要link 一些目标文件。我不知道这些神秘部分存在于哪些目标文件中：

.ARM.extab
.ARM
.preinit_array
.init_array
.fini_array

闪存分配到此结束。 linkerscript 继续定义最终出现在 RAM 中的部分。

RAM 中的部分

.data 和 .bss 部分对我来说很清楚。没有问题。

    /****************************/
    /*    INITIALIZED DATA      */
    /****************************/
    _sidata = LOADADDR(.data);
    .data :
    {
        . = ALIGN(4);
        _sdata = .;        /* create a global symbol at data start */
        *(.data)           /* .data sections */
        *(.data*)          /* .data* sections */

        . = ALIGN(4);
        _edata = .;        /* define a global symbol at data end */

    } >RAM AT> FLASH


    /****************************/
    /*    UNINITIALIZED DATA    */
    /****************************/
    . = ALIGN(4);
    .bss :
    {
        _sbss = .;         /* define a global symbol at bss start */
        __bss_start__ = _sbss;
        *(.bss)
        *(.bss*)
        *(COMMON)

        . = ALIGN(4);
        _ebss = .;         /* define a global symbol at bss end */
        __bss_end__ = _ebss;

    } >RAM

linkerscript 还定义了一个 ._user_heap_stack 部分：

    /****************************/
    /* USER_HEAP_STACK SECTION  */
    /****************************/
    /* User_heap_stack section, used to check that there is enough RAM left */
    ._user_heap_stack :
    {
        . = ALIGN(8);
        PROVIDE ( end = . );
        PROVIDE ( _end = . );
        . = . + _Min_Heap_Size;
        . = . + _Min_Stack_Size;
        . = ALIGN(8);
    } >RAM

显然此部分不会立即使用。它仅被定义为检查 RAM 是否还有足够的 space 用于堆栈和堆。如果不是这种情况（. 超出了顶部 RAM 地址），则会抛出 linker 错误。

link脚本结束

这就是 link脚本的结尾。老实说，我不知道它的作用。所以这是第二个问题：下面是什么意思？

    /* Remove information from the standard libraries */
    /DISCARD/ :
    {
        libc.a ( * )
        libm.a ( * )
        libgcc.a ( * )
    }

    .ARM.attributes 0 : { *(.ARM.attributes) }
}
/* END OF LINKERSCRIPT */

Answer 1

.ARM.extab和.ARM.exidx与平仓有关。您可以在此处找到更多信息 http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ihi0044e/index.html。如果您不关心展开（展开对 C++ 异常和调试很有用），则不需要它们。
这些符号与在 main() 之前/之后调用的 C/C++ 构造函数和析构函数启动和拆卸代码有关。名为 .init、.ctors、.preinit_array 和 .init_array 的部分与 C/C++ 对象的初始化有关，而名为 .fini、.fini_array 和.dtors 用于拆除。开始和结束符号定义与此类操作相关的代码部分的开始和结束，并且可以从运行时支持代码的其他部分引用。

.preinit_array 和 .init_array 部分包含指向将在初始化时调用的函数的指针数组。 .fini_array 是将在销毁时调用的函数数组。大概开始和结束标签用于遍历这些列表。

堆：不是真的，那部分允许为堆保留一些space，为堆栈保留一些space。显然，如果保留区域的总和超出 RAM 边界，则会出现错误。这是一个例子：

_Min_Heap_Size = 0; /* 所需的堆数量 / _Min_Stack_Size = 0x400; / 所需的堆栈数量 */

._user_heap_stack : { . =对齐（4）；提供（结束=。）；提供 (_end = .); . =。 + _Min_Heap_Size； . =。 + _Min_Stack_Size; . =对齐（4）； } >RAM
到 link 库我更喜欢不同的表示法，这只是裸机无 RTOS C++ 项目的示例： GROUP(libgcc.a libc_nano.a libstdc++_nano.a libm.a libcr_newlib_nohost.a crti.o crtn.o crtbegin.o crtend.o)

Answer 2

首先，你对这个概念的理解是错误的；这就是我所相信的。我在理解这个概念的过程中也遇到过类似的问题。

用简单的语言，我可以向您解释链接描述文件为我们提供了三个主要功能：

入口点
运行-主存中的时间地址。
复制下来的程序

让我们考虑一个例子，

假设我们的项目中有N个.c文件。现在编译后每个文件都包含自己的翻译单元，称为目标文件。

每个目标文件包含 .text section/segment 其中包含实际代码。 .data section/segment 用于数据。

为了合并每个翻译单元的所有 .text 部分，链接描述文件为此提供了一些特定的命令。 .data 部分也是如此。

合并所有目标文件后，最终的可执行文件就可以使用了。

现在谈到一些悖论...

Cortex-M系列的入口点就是ResetISR。执行完ResetISR函数并初始化SoC中的其他可屏蔽中断后，接下来就是copy-down的过程。

复制下来的过程只不过是将 .data 部分复制到 RAM 中（甚至包括有趣的 .bss 部分，但我现在不考虑那部分）。

从 ROM 复制到 RAM 是必不可少的，因为实际的 ELF 文件总是存储在 ROM 中。

执行完所有这些与启动相关的事情后，我们现在可以调用我们的 main() 函数。

了解 ARM Cortex-M 微控制器的链接描述文件

Understanding the linkerscript for an ARM Cortex-M microcontroller

linker

arm

linker-scripts

newlib

cortex-m