连接器 -- Scatter File & Linker Script File

@(嵌入式)

[TOC]

源文件编译后生成 elf 格式的目标文件（各种.o）, 与运行时库经过连接器处理后，生成可以被写入嵌入式设备 ROM 中的 elf 格式文件。

ARM 映像文件

ARM 映像文件是一个层次结构文件，包含域（region），输出段（output section）和输入段（input section）

映像文件组成

域 1(加载时对应的一块存储区域 -- “rom 中”)
- 输出段 1 (运行时对应的一块存储区域 -- “ram中”’)
  - 输入段 1（编译出来个各个.o）
  - 输入段 2
  - 多个输入段
    - 输入段 包含代码/数据 (属性可能是： R0/RW/ZI）
- 输出段 2
- 最多三个输出段， 各输出段属性不同，与包含输入段一致（在域中排序按照 R0/RW/ZI）
域 2
多个域组成 **一个域通常映射到一个物理存储器上 **，如 ROM/RAM等

映像文件地址映射

文件中个部分在存储系统中地址有两种

加载时地址
映像文件位于存储器中，运行前的地址。举个例子，字符串 uint8* hell = "hell world"编译后，运行前保存在ROM中的地址 A，在运行时被加载到内存中 B，这里 A 就是加载时地址，而程序运行时读取的地址时B，也就是下面的运行时地址。
运行时地址
映像文件运行后加载到存储器的地址

举个例子

区域	加载时地址	运行时地址
RAM
RAM		ZI段
RAM		RW段
ROM	RW段
ROM	RO段	RO段

程序运行时，代码和数据保存在ROM 中， ZI属性的数据不存在。当运行时，数据被加载到内存区域

ARM 映像文件入口点

地址分类：

映像文件运行时入口地点，称为初始入口点（Intial Entry Point）
唯一性，加载文件后跳转到的入口
普通入口点
汇编程序中 ENTRY 伪操作定义的，通常用于标志异常处理程序入口，这样连接器删除无用段时，不会把该段代码删除。

初始入口点

初始入口点必须位于映像的运行时域（因为运行时才会跳转到）
初始入口点所在运行时域的的加载地址和运行时地址相同（固定域， Root Region）

以上映像文件映射信息，在 keil 中通过 scatter 配置文件进行描述。 Scatter File 用于armlink， Linker Script File 用于 GNU LD 它们的功效是一样的，即告诉Linker用一定的memory layout来生成最后的image。

Scatter File

Scatter file 是一个文本文件，描述连接器（armlink）生成映像文件时需要的信息（加载时域和运行时域 -- 存储时角度和运行时角度看待数据分布）（连接器会在连接的时候加入加载时候的代码段，完成程序加载工作）,
如下一个文件的组织情况：

from arm

例子

一个加载时域

映像文件保存在 0x10000 地址，运行的时候，从该地值读取数据加载到指定区域（运行时域没有指定，同加载时域，并按配置文件分类存放）

LR_1 0x010000        ; 加载时域LR_1, 也就是加载的时候，从这个地址读取数据
{
    ER_RO +0 0x400       ; 第一个运行时域， 没有指定其实地址，所以为 0x010000， 大小限制在0x400
    {
        * (+RO)      ; 所有 R0 文件放置在这个区域  (这就是一个输入段)
    }
    ER_RW 0x040000   ; 第二个运行时与，指定地址0x040000， 放置所有RW数据
    {
        * (+RW) 
    }
    ER_ZI +0         ; 最后一个运行时域，放置 ZI
                     ; 地址是上一个地址结束的 0 偏移， 也就是紧跟其后
    {
        * (+ZI)   
    }
}

连接添加 --ro-base=0x010000 --rw-base=0x040000 选项，也可以达到如上配置文件的效果（当比较复杂的时候这样就不好实现了）

二个加载时域

LR_1 0x010000     ; The first load region is at 0x010000.
{
    ER_RO +0      ; The address is 0x010000.
    {
        * (+RO)
    }
}
LR_2 0x040000     ; The second load region is at 0x040000.
{
    ER_RW +0      ; The address is 0x040000.
    {
        * (+RW)   ; All RW sections are placed consecutively into this region.
    }
    ER_ZI +0      ; The address is 0x040000 + size of ER_RW region.
    {
        * (+ZI)   ; All ZI sections are placed consecutively into this region   .
    }
}

实际例子

下面是一个实际的蓝牙工程，芯片的内存映射见如下文档
dialog14580-MemoryMap
下面我把原来的文档没有的上出掉，剩下最基本的一部分
映像文件被加载到 0x20000000 地址后会按照文件描述展开运行。

#! armcc -E -I .\,.\..,.\..\src\config,.\..\..\sdk\common_project_files\ --cpu Cortex-M0

#include "da1458x_config_basic.h"
#include "da1458x_config_advanced.h"
#include "da1458x_scatter_config.h"    
;  直接包含一些头文件， 可以使用其中的宏定义作为参数

; *************************************************************
; *** Scatter-Loading Description File generated by uVision ***
; *************************************************************
;
; This scatter file is set up for EM_MAP == 23!
; If an application uses a different memory layout then it must
; use a customized scatter file.
;**************************************************************

LR_IROM1 0x20000000 0x160 {                     
; load region size_region， 最大 0x160
    ER_IROM1 0x20000000 0x160 {                 
; load address = execution address 是一个初始入口点
        *.o (RESET, +First)
    }
}
 
LR_IROM2 0x20000160 0x160 {
    ER_IROM2 0x20000160 0x160  {
       .ANY (jump_table_mem_area) 
    }
; .ANY 表示连接器可以根据情况将概述入段安排到任何一个认为合适的运行时域 
; jump_table_mem_area 是一个标记， 在程序中使用类似
; __attribute__((section("jump_table_mem_area"),zero_init));
; 指定变量存储位置     
}


LR_IROM3 0x200002C0 0x80 {
    ER_IROM3 0x200002C0 0x80 {
        .ANY (timeout_table_area)
    }
}

LR_IROM4 0x20000340 0x100 {
    ER_IROM4 0x20000340 0x100 {
        .ANY (nvds_data_storage_area)
    }
}

LR_IROM5 0x20000440 0x93c0 {
    ER_IROM5 0x20000440 (0x8bc0 - NON_RET_HEAP_SIZE) {
        ; All library sections that must be in a
        ; root region(加载地址和运行地址一致), for example, __main.o,
        ; __scatter*.o, __dc*.o, and * Region$$Table
       *(InRoot$$Sections)
        boot_vectors.o (+RO)
        system_ARMCM0.o (+RO)
        .ANY (+RO) 
        .ANY (+RW)
    }
    RW_IRAM51 (0x20009000 - NON_RET_HEAP_SIZE) UNINIT NON_RET_HEAP_SIZE {    
        jump_table.o (heap_mem_area_not_ret)    
    }

    RW_IRAM52 0x20009000 EMPTY 0x20 {}
    ; reserved for ROM code  

    ER_IROM6 0x20009020 0x1e0 {                
    ; Remaining area above 0x20009020 is set as ZI
        .ANY (+ZI)
    }
    RW_IRAM54 0x20009200 UNINIT 0x600 {         ; Stack
        .ANY (STACK)
    }
}

LR_RETENTION_RAM2 0x00080768 0x2898 {
    ; Extended Sleep mode
    ; Extended RetRAM : 0x80000 - 0x83000
    ZI_RET20 0x00080768 UNINIT 0x22b8  {         
    ; 0x80768 is the last address used by the ROM code
        jump_table.o (heap_env_area)
        jump_table.o (heap_db_area)
        jump_table.o (heap_msg_area)
        ;jump_table.o (heap_mem_area_not_ret)    
        .ANY (retention_mem_area0)              ; application data
        .ANY (+ZI)
    }   

    ZI_RET21 EXCHANGE_MEMORY_BASE EXCHANGE_MEMORY_SIZE {
        arch_main.o (BLE_exchange_memory)
    }
}

Linker Script File

Linder script file 的 sections 是以 run-time 的视角去看整个数据的分布，对 .data 和 .bss 又 export 一些在汇编和C里可见的变量以供初始化之用。 AT 用来指明需要 run-time 拷贝的数据。

SECTIONS
{
    . = 0X10000;  /* . 位置计数， sections起始处默认值为0*/
    .text : {*(.text)}
    . = 0x8000000;
    .data : {*(.data)}
    .bss : {*(.bss)}
}

.text : program code;
.rodata : read-only data;
.data : read-write initialized data;
.bss : read-write zero initialized data

附录手册详细描述如何编写一份连接脚本。

参考

ARM-scatter-loading
ARM-Syntax of a scatter file
GNU-Linker