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[其它产品/技术] 内存区域和链接脚本的奥秘

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 楼主| 星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 19:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
内存, 脚本, ma, ni
用_sdata这样的变量来标记各个段在Flash或RAM中的位置。
ResetHandler的地址被精准地放在0x00000004，方便MCU找到。
这些操作看似天衣无缝，但实际上，它们要么依赖约定俗成的规则，要么是无数次复制粘贴的祖传代码。不同MCU的内存映射可能千差万别，启动脚本的变量命名可能五花八门，甚至程序段的划分也可能各不相同。既然没有统一标准，这些信息就得在项目中明确指定。对于用类Unix-ld工具链接的项目来说，这个指定工作就落在了链接脚本身上。

今天，我们继续以一个最简单的程序为例，拆解一下链接脚本的门道。

链接过程

链接是编译的最后一步，它把一堆编译好的目标文件合并成一个完整的程序，同时填上正确的地址，让所有内容各就各位。

在链接之前，编译器已经把你的源代码逐一编译成了机器码。在这个过程中，编译器会为地址留下占位符，因为它既不知道代码在整个程序中的最终位置，也对当前文件外的符号一无所知。

链接器的工作就是把这些目标文件，连同C标准库等外部依赖，合并成一个完整的程序。为了搞清楚每个部分该放哪儿，链接器需要一份地图——这就是链接脚本的用武之地。最后，链接器会把所有占位符替换成实际地址。

接下来就以我们的代码为例，看看main函数到底发生了什么。编译器先把minimal.c编译成目标文件：

arm-none-eabi-gcc -c -o build/objs/a/b/c/minimal.o minimal.c <CFLAGS>
用nm工具查看minimal.o的符号表：

复制
  1. arm-none-eabi-nm build/objs/a/b/c/minimal.o
    

  2. ...
    

  3. 00000000 T main
    

  4. ...

可以看到，main函数的地址还是个0，说明还没分配具体位置。接下来，链接器登场：

复制
  1. arm-none-eabi-gcc <LDFLAGS> build/objs/a/b/c/minimal.o <其他目标文件> -o build/minimal.elf

再次查看符号表：

复制
  1. arm-none-eabi-nm build/minimal.elf
    

  2. ...
    

  3. 00000294 T main
    

  4. ...

这回main函数有了个具体的地址，链接器完成了它的使命。除了地址分配，链接器还能顺手生成调试信息、清理无用代码，或者做全程序优化（LTO）。不过今天我们先聚焦链接脚本的本质，别的功能下回再说。
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 楼主| 星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 19:10 | 显示全部楼层
解剖链接脚本

链接脚本就像一份程序的施工图纸，主要包含四部分：

内存布局：告诉链接器有哪些内存区域可用，地址和大小是多少。
段定义：规定程序的各个部分该放哪儿。
选项：指定架构、入口点等额外配置。
符号：在链接时注入到程序中的变量。

程序的地基：内存布局

链接器要想分配空间，必须先知道有哪些内存可用，地址从哪儿开始，大小是多少。这部分信息由MEMORY定义提供。数据手册会写清楚内存映射如下：

内部Flash：起始地址0x00000000，大小256KB。
内部SRAM：起始地址0x20000000，大小32KB。
翻译成链接脚本的MEMORY定义，就是：

复制
  1. MEMORY
    

  2. {
    

  3.   rom (rx)  : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 0x00040000
    

  4.   ram (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 0x00008000
    

  5. }

这里的rom和ram只是名字，随你叫什么都行，flash和sram也常见。括号里的rx表示只读可执行，rwx表示可读写可执行。这些属性只是描述内存的性质，不是真的能改变硬件保护状态。

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 楼主| 星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 19:11 | 显示全部楼层
地段划分：段定义

程序的代码和数据会被分到不同的段，段是内存中连续的区域。段的划分没有硬性规定，但通常会根据以下原则：

放进同一个内存区域的符号归一个段。
需要一起初始化的符号归一个段。
回顾上篇，我们提到了两类需要批量初始化的符号：

已初始化的静态变量，需要从Flash复制到RAM。
未初始化的静态变量，需要清零。
此外，链接脚本还要关心：

代码和常量数据，通常放Flash
保留的RAM区域，比如堆栈
按照惯例，段的命名如下：

复制
  1. .text：代码和常量
    

  2. .bss：未初始化数据
    

  3. .stack：堆栈
    

  4. .data：已初始化数据

如果我们不定义任何段，只写内存布局：

复制
  1. MEMORY
    

  2. {
    

  3.   rom (rx)  : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 0x00040000
    

  4.   ram (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 0x00008000
    

  5. }
    


  6. 

  7. SECTIONS
    

  8. {
    

  9.     /* 空荡荡！ */
    

  10. }

链接器照样能工作，但用objdump检查生成的elf文件，会发现符号表空空如也。链接器虽然能靠默认假设链接程序，但至少需要知道入口点或.text段的内容。

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 楼主| 星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 19:12 | 显示全部楼层
.text段

我们先给.text段安排上，它得住进ROM：

复制
  1. SECTIONS
    

  2. {
    

  3.     .text :
    

  4.     {
    

  5.     } > rom
    

  6. }

接下来要告诉链接器，哪些东西该放进.text段。用objdump检查目标文件：

arm-none-eabi-objdump -h build/objs/a/b/c/minimal.o
会看到一堆.text开头的段，这是因为我们用了-ffunction-sections和-fdata-sections编译选项，每个函数和数据都有自己的段。如果没用这些选项，编译器可能会把多个函数合并到一个.text.<某标识>段。

要把所有.text开头的段放进.text，我们用通配符*：

复制
  1. .text :
    

  2. {
    

  3.     KEEP(*(.vector*))
    

  4.     *(.text*)
    

  5. } > rom

这里的.vector*是向量表，包含ResetHandler等关键函数，必须放在.text段开头，确保MCU能找到。向量表的故事我们下回细聊。

检查elf文件，代码相关符号都出现了，数据符号还没影。

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 楼主| 星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 19:12 | 显示全部楼层
.bss段-未初始化数据
.bss段存放未初始化的静态变量，分配在RAM中，但不需要加载内容（因为都是0）。定义如下：

复制
  1. .bss (NOLOAD) :
    

  2. {
    

  3.     *(.bss*)
    

  4.     *(COMMON)
    

  5. } > ram

*(COMMON)是全局未初始化变量的特殊段，比如int foo;会放在这，而static int foo;不会。NOLOAD表示这个段不需要加载内容。

.stack段-栈

.stack段也在RAM，不需要加载内容，但得明确指定大小，还要按ARM调用规范（AAPCS）对齐到8字节边界。

这里要用到链接器的“位置计数器” . ，它记录当前内存区域的偏移。随着段的添加，计数器会自动前进。你可以用ALIGN函数强制对齐，或者通过赋值调整偏移，但不能往回退，否则链接器会报错。

.stack段的定义如下：

复制
  1. STACK_SIZE = 0x2000; /* 8KB */
    


  2. 

  3. .stack (NOLOAD) :
    

  4. {
    

  5.     . = ALIGN(8);
    

  6.     . = . + STACK_SIZE;
    

  7.     . = ALIGN(8);
    

  8. } > ram

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 楼主| 星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 19:14 | 显示全部楼层
.data段
.data段存放有初始值的静态变量。设备断电时RAM清空，所以这些数据得从Flash复制到RAM。ResetHandler会在启动时完成这个搬家工作。

为此，每个段需要两个地址：

LMA（加载地址）：加载器把数据写到这（一般是Flash）。
VMA（虚拟地址）：程序运行时数据在这（一般是RAM）。
定义.data段时，指定VMA和LMA：

复制
  1. .data :
    

  2. {
    

  3.     *(.data*);
    

  4. } > ram AT > rom
    

  5. 也可以显式指定地址：
    


  6. 

  7. .data ORIGIN(ram) : AT(ORIGIN(rom))
    

  8. {
    

  9.     . = ALIGN(4);
    

  10.     _sdata = .;
    

  11.     *(.data*);
    

  12.     . = ALIGN(4);
    

  13.     _edata = .;
    

  14. }



链接器符号

上篇提到的_ebss、_sdata等变量，其实是链接器生成的符号，用于告诉代码各段的地址。定义方式类似C语言赋值：

复制
  1. .text :
    

  2. {
    

  3.     KEEP(*(.vectors .vectors.*))
    

  4.     *(.text.*)
    

  5.     *(.rodata.*)
    

  6.     _etext = .;
    

  7. } > rom
    


  8. 

  9. .bss (NOLOAD) :
    

  10. {
    

  11.     _sbss = . ;
    

  12.     *(.bss .bss.*)
    

  13.     *(COMMON)
    

  14.     _ebss = . ;
    

  15. } > ram
    


  16. 

  17. .data :
    

  18. {
    

  19.     _sdata = .;
    

  20.     *(.data*);
    

  21.     _edata = .;
    

  22. } > ram AT >rom

注意，引用这些符号时要用取地址操作，比如：

uint8_t *data_byte = &_sdata;
直接用_sdata会出问题。

链接脚本就像一张地图，告诉链接器如何把代码和数据安顿好。但其实理解了内存布局、段定义和符号的套路，你也能轻松理解。

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daichaodai 发表于 2025-5-26 19:30 来自手机 | 显示全部楼层
这个和汇编链接什么关系
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suncat0504 发表于 2025-5-27 09:24 | 显示全部楼层
在C中使用这种连接，会不会影响程序运行？毕竟声明变量、分配内存等操作会动态使用内存的。
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suncat0504 发表于 2025-5-27 09:25 | 显示全部楼层
老早以前，在流程式编程的时候，有GOTO语句，后来不提倡，因为不利于程序解读、维护。固定内存指定区域的操作，会不会有其它负面影响呢。
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小夏天的大西瓜 发表于 2025-5-27 09:54 | 显示全部楼层
动态解析还是需要资源的
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地瓜patch 发表于 2025-5-27 17:31 来自手机 | 显示全部楼层
这个有深度，看一遍理解不了
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