lds文件
最近在看u-boot、osekOS的啟動代碼，其中涉及到lds文件，通過參考其他網友的文章，希望對lds文件有個明晰的認識，為了鞏固及加深影響，特將相關博客內容重寫一遍。
原始文章: http://linux.chinaunix.net/techdoc/beginner/2009/08/12/1129972.shtml。原始文章講解更清楚，不懂的地方可以返回參考。
一、概念
1.1 lds文件
lds文件與scatter文件相似，定義了整個程序編譯之后的連接過程，都是決定一個可執行程序的各個段的存儲位置，以及入口地址，這也是鏈接定位的作用。
每一個鏈接過程都由鏈接腳本(linker script, 一般以lds作為文件的后綴名)控制。鏈接器通過鏈接腳本中指定的規則把一個或多個輸入文件（可以是目標文件或鏈接腳本文件）的section合成一個輸出文件（可以是目標文件或可執行文件）。
1.2 section
為了區分不同文件的section，目標文件中的每個section需要至少包含名字和大小，大部分還包含與其相關聯的一塊數據section contents。一個section可被標記為“loadable” (可加載的，在輸出文件運行時，該section被載入進程地址空間)或“allocatable” (可分配的，輸出文件運行時，在進程地址空間中預留section大小的部分)。
在目標文件中, loadable或allocatable的輸出section有兩種地址: VMA(virtual Memory Address，進程執行時使用的地址)和LMA(Load Memory Address，加載到進程地址空間的地址)。一般而言, 某section的VMA = LMA. 但在嵌入式系統中, 經常存在加載地址和執行地址不同的情況: 比如將輸出文件加載到開發板的flash中(由LMA指定), 而在運行時將位于flash中的輸出文件復制到SDRAM中(由VMA指定)。
1.3 符號
每個目標文件都有符號表(SYMBOL TABLE), 包含已定義的符號(對應全局變量和static變量和定義的函數的名字)和未定義符號(未定義的函數的名字和引用但沒定義的符號)信息。每個符號對應一個地址, 即符號值(這與c程序內變量的值不一樣, 某種情況下可以把它看成變量的地址)。
二、語法
2.1 腳本格式
鏈接腳本由一系列命令組成, 每個命令由一個關鍵字(一般在其后緊跟相關參數)或一條對符號的賦值語句組成。命令由分號‘;’分隔開。文件名或格式名內如果包含分號’;'或其他分隔符, 則要用引號‘”’將名字全稱引用起來，無法處理含引號的文件名。
/* */之間的是注釋。
GNU官方網站上對.lds文件形式的完整描述：
腳本命令；
腳本命令；
…
SECTIONS {
...
secname start BLOCK(align) (TYPE) : AT ( ldadr )
{ contents }[>REGION] [AT>LMA_REGION] [:PHDR
HDR ...] [=FILLEXP]
...
}
說明：secname和contents是必須的，前者用來命名這個段，后者用來確定代碼中的什么部分放在這個段，以下是對這個描述中的一些關鍵字的解釋。
1、腳本命令：參見2.3節，可以設置內存段、輸出格式、入口地址等。
2、secname：輸出section段名。
3、start BLOCK：是段的重定位地址，本段連接（運行）的地址，如果代碼中有位置無關指令，程序運行時這個段必須放在這個地址上。start可以用任意一種描述地址的符號來描述。設置了輸出section的VMA地址，其中align將定位符號的值調整到滿足輸出section對齊要求后的值。
4、TYPE：輸出section類型，指明是否在程序運行時載入內存。
5、AT（ldadr）：定義本段存儲（加載）的地址，默認情況下，LMA等于VMA，但可以通過關鍵字AT()指定LMA。用關鍵字AT()指定，括號內包含表達式，表達式的值用于設置LMA。如果不用AT()關鍵字，那么可用AT>LMA_REGION表達式設置指定該section加載地址的范圍。通過這個選項可以控制各段分別保存于輸出文件中不同的位置。
6、contents：決定哪些內容放在本段，可以是整個目標文件，也可以是目標文件中的某段（代碼段、數據段等），詳情參考2.4節。
7、region：如果start沒有定義，則以region地址為VMA，如果region也沒定義，以定位符號‘.’的值確定VMA。
8、phdr：沒在具體的實例中看到過。
9、FILLEXP：指明空閑空間（如按align對齊后的空閑部分）的填充字段。
2.2 符號及表達式
2.2.1 符號
沒有被引號“”包圍的符號，以字母、下劃線或‘.’開頭，可包含字母、下劃線、’.'和’-'。當符號名被引號包圍時，符號名可以與關鍵字相同。
（1）. 是一個特殊的符號，它是定位器，一個位置指針，指向程序地址空間內的某位置(或某section內的偏移，如果它在SECTIONS命令內的某section描述內)，該符號只能在SECTIONS命令內使用。
（2）PROVIDE關鍵字：用于定義在目標文件內被引用，但沒有在任何目標文件內被定義的符號。
2.2.2 表達式
（1）賦值
在目標文件內定義的符號可以在鏈接腳本內被賦值，但只有對全局變量賦值才有效，而且此處的賦值是更改這個符號對應的地址，而不是變量的值。賦值語句可以出現在連接腳本的三處地方：SECTIONS命令內，SECTIONS命令內的section描述內和全局位置；常用賦值操作有：
SYMBOL = EXPRESSION ; SYMBOL += EXPRESSION ; SYMBOL -= EXPRESSION ; SYMBOL *= EXPRESSION ; SYMBOL /= EXPRESSION ; SYMBOL >= EXPRESSION ; SYMBOL &= EXPRESSION ; SYMBOL |= EXPRESSION ;
注意：除了第一類表達式外, 使用其他表達式需要SYMBOL被定義于某目標文件。
（2）運算符優先級
優先級 結合順序 操作符 1 left ! – ~ (1) 2 left * / % 3 left + - 4 left >> = 6 left & 7 left | 8 left && 9 left || 10 right ? : 11 right &= += -= *= /= (2)
（3）內建函數
ABSOLUTE(EXP) ：轉換成絕對值 ADDR(SECTION) ：返回某section的VMA值。 ALIGN(EXP) ：返回定位符’.'的修調值，對齊后的值，(. + EXP – 1) & ~(EXP – 1) BLOCK(EXP) ：如同ALIGN(EXP)，為了向前兼容。 DEFINED(SYMBOL) ：如果符號SYMBOL在全局符號表內，且被定義了，那么返回1，否則返回0。 LOADADDR(SECTION) ：返回三SECTION的LMA MAX(EXP1,EXP2) ：返回大者 MIN(EXP1,EXP2) ：返回小者 NEXT(EXP) ：返回下一個能被使用的地址，該地址是EXP的倍數，類似于ALIGN(EXP)。除非使用了MEMORY命令定義了一些非連續的內存塊，否則NEXT(EXP)與ALIGH(EXP)一定相同。 SIZEOF(SECTION) ：返回SECTION的大小。當SECTION沒有被分配時，即此時SECTION的大小還不能確定時，連接器會報錯。 SIZEOF_HEADERS ： sizeof_headers ：返回輸出文件的文件頭大小(還是程序頭大小)，用以確定第一個section的開始地址(在文件內)。
2.3 腳本命令
2.3.1 簡單命令
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命令 |
說明 |
備注 |
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ENTRY(SYMBOL) |
將符號SYMBOL的值設置成入口地址（進程執行的第一條用戶空間的指令在進程地址空間的地址）。 |
進程入口地址優先級：ld命令行的-e選項>連接腳本的ENTRY(SYMBOL)命令>如果定義了start符號, 使用start符號值>如果存在.text section, 使用.text section的第一字節的位置值>使用值0。 |
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INCLUDE filename |
包含其他名為filename的鏈接腳本 |
可以嵌套使用, 最大深度為10。 |
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INPUT(files) |
將括號內的文件做為鏈接過程的輸入文件。 |
ld首先在當前目錄下尋找該文件, 如果沒有, 則在由-L指定的搜索路徑下搜索 |
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GROUP(files) |
指定需要重復搜索符號定義的多個輸入文件 |
file必須是庫文件,被ld重復掃描，直到不在有新的未定義的引用出現。 |
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OUTPUT(FILENAME) |
定義輸出文件的名字 |
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SEARCH_DIR(PATH) |
定義搜索路徑 |
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STARTUP(filename) |
指定filename為第一個輸入文件 |
鏈接過程中, 每個輸入文件是有順序的，此命令設置filename為第一個輸入文件。 |
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TARGET(BFDNAME) |
設置輸入文件的BFD格式。 |
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OUTPUT_FORMAT(BFDNAME) |
設置輸出文件使用的BFD格式。 |
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OUTPUT_FORMAT(DEFAULT,BIG,LITTLE) |
定義三種輸出文件的格式(大小端)。 |
若有命令行選項-EB, 則使用第2個BFD格式; -EL，則使用第3個BFD格式.否則默認第一個。 |
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ASSERT(EXP, MESSAGE) |
如果EXP不為真，終止連接過程 |
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EXTERN(SYMBOL SYMBOL …) |
在輸出文件中增加未定義的符號 |
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FORCE_COMMON_ALLOCATION |
為common symbol(通用符號)分配空間，即使用了-r連接選項也為其分配 |
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NOCROSSREFS(SECTION SECTION …) |
檢查列出的輸出section，如果發現他們之間有相互引用，則報錯。 |
對于某些系統，特別是內存較緊張的嵌入式系統，某些section是不能同時存在內存中的，所以他們之間不能相互引用。 |
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OUTPUT_ARCH(BFDARCH) |
設置輸出文件的machine architecture(體系結構) |
BFDARCH為被BFD庫使用的名字之一。 |
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man -S 1 ld |
查看ld的聯機幫助, 里面也包括了對以上命令的介紹. |
2.3.2 其它命令
（1）內存區域命令
在默認情形下，連接器可以為section分配任意位置的存儲區域。你也可以用MEMORY命令定義存儲區域，并通過輸出section描述的> REGION屬性顯示地將該輸出section限定于某塊存儲區域，當存儲區域大小不能滿足要求時，連接器會報告該錯誤。
MEMORY命令的文法如下：
MEMORY {
NAME1 [(ATTR)] : ORIGIN = ORIGIN1, LENGTH = LEN2
NAME2 [(ATTR)] : ORIGIN = ORIGIN2, LENGTH = LEN2
…
}
說明如下：
NAME ：存儲區域的名字，這個名字可以與符號名、文件名、section名重復，因為它處于一個獨立的名字空間。
ATTR ：定義該存儲區域的屬性，在講述SECTIONS命令時提到，當某輸入section沒有在SECTIONS命令內引用時，連接器會把該輸入 section直接拷貝成輸出section，然后將該輸出section放入內存區域內。如果設置了內存區域設置了ATTR屬性，那么該區域只接受滿足該屬性的section(怎么判斷該section是否滿足？輸出section描述內好象沒有記錄該section的讀寫執行屬性)。
ATTR屬性內可以出現以下7個字符：
R 只讀section W 讀/寫section X 可執行section A ‘可分配的’section I 初始化了的section L 同I ! 不滿足該字符之后的任何一個屬性的section
ORIGIN ：關鍵字，區域的開始地址，可簡寫成org或o
LENGTH ：關鍵字，區域的大小，可簡寫成len或l
（2）PHDRS命令
在連接腳本內不指定PHDRS命令時，連接器能夠很好的創建程序頭，但是有時需要更精確的描述程序頭，那么PAHDRS命令就派上用場了。
注意：一旦在連接腳本內使用了PHDRS命令，那么連接器**僅會**創建PHDRS命令指定的信息，所以使用時須謹慎。
PHDRS命令文法如下：
PHDRS
{
NAME TYPE [ FILEHDR ] [ PHDRS ] [ AT ( ADDRESS ) ]
[ FLAGS ( FLAGS ) ] ;
}
其中FILEHDR、PHDRS、AT、FLAGS為關鍵字。
NAME ：為程序段名，此名字可以與符號名、section名、文件名重復，因為它在一個獨立的名字空間內。此名字只能在SECTIONS命令內使用。
一個程序段可以由多個‘可加載’的section組成。通過輸出section描述的屬性:PHDRS可以將輸出section加入一個程序段，: PHDRS中的PHDRS為程序段名。在一個輸出section描述內可以多次使用:PHDRS命令，也即可以將一個section加入多個程序段。
如果在一個輸出section描述內指定了:PHDRS屬性，那么其后的輸出section描述將默認使用該屬性，除非它也定義了:PHDRS屬性。顯然當多個輸出section屬于同一程序段時可簡化書寫。
在TYPE屬性后存在FILEHDR關鍵字，表示該段包含ELF文件頭信息；存在PHDRS關鍵字，表示該段包含ELF程序頭信息。
TYPE可以是以下八種形式： PT_NULL 0表示未被使用的程序段 PT_LOAD 1表示該程序段在程序運行時應該被加載 PT_DYNAMIC 2表示該程序段包含動態連接信息 PT_INTERP 3表示該程序段內包含程序加載器的名字，在linux下常見的程序加載器是ld-linux.so.2 PT_NOTE 4表示該程序段內包含程序的說明信息 PT_SHLIB 5一個保留的程序頭類型，沒有在ELF ABI文檔內定義 PT_PHDR 6表示該程序段包含程序頭信息。 EXPRESSION 表達式值
以上每個類型都對應一個數字，該表達式定義一個用戶自定的程序頭。
AT(ADDRESS)屬性定義該程序段的加載位置(LMA)，該屬性將**覆蓋**該程序段內的section的AT()屬性。
默認情況下，連接器會根據該程序段包含的section的屬性(什么屬性？好象在輸出section描述內沒有看到)設置FLAGS標志，該標志用于設置程序段描述的p_flags域。
（3）版本號命令
請參看原文介紹
2.4 SECTIONS詳解
SECTIONS命令告訴ld如何把輸入文件的sections映射到輸出文件的各個section: 如何將輸入section合為輸出section; 如何把輸出section放入程序地址空間(VMA)和進程地址空間(LMA)，格式如下：
SECTIONS
{
ENTRY命令/符號賦值語句/一個輸出section的描述(output section description)/一個section疊加描述(overlay description)
}
其中，一個輸出section描述的格式為：
SECTION [ADDRESS] [(TYPE)] : [AT(LMA)]
{
符號賦值語句/一個輸入section描述/直接包含的數據值/一個特殊的輸出section關鍵字
} [>REGION] [AT>LMA_REGION] [:PHDR
HDR ...] [=FILLEXP]
說明如下：
（1）輸出section名字(SECTION)：
輸出section名字必須符合輸出文件格式要求，比如：a.out格式的文件只允許存在.text、.data和.bss section名。而有的格式只允許存在數字名字，那么此時應該用引號將所有名字內的數字組合在一起；另外，還有一些格式允許任何序列的字符存在于 section名字內，此時如果名字內包含特殊字符(比如空格、逗號等)，那么需要用引號將其組合在一起。
（2）輸出section地址(ADDRESS)：
ADDRESS是一個表達式，它的值用于設置VMA。如果沒有該選項且有REGION選項，那么連接器將根據REGION設置VMA；如果也沒有 REGION選項，那么連接器將根據定位符號‘.’的值設置該section的VMA，將定位符號的值調整到滿足輸出section對齊要求后的值，輸出 section的對齊要求為：該輸出section描述內用到的所有輸入section的對齊要求中最嚴格的。
注意：設置ADDRESS值，將更改定位符號的值。
（3）TYPE ：
每個輸出section都有一個類型，如果沒有指定TYPE類型，那么連接器根據輸出section引用的輸入section的類型設置該輸出section的類型。它可以為以下五種值，
NOLOAD ：該section在程序運行時，不被載入內存。
DSECT,COPY,INFO,OVERLAY
：這些類型很少被使用，為了向后兼容才被保留下來。這種類型的section必須被標記為“不可加載的”，以便在程序運行不為它們分配內存。
（4）輸出section的LMA ：
默認情況下，LMA等于VMA，但可以通過關鍵字AT()指定LMA。
用關鍵字AT()指定，括號內包含表達式，表達式的值用于設置LMA。如果不用AT()關鍵字，那么可用AT>LMA_REGION表達式設置指定該section加載地址的范圍。
這個屬性主要用于構件ROM境象。
（5）輸入section描述：
最常見的輸出section描述命令是輸入section描述。輸入section描述是最基本的連接腳本描述。
1）輸入section描述基礎：
基本語法：FILENAME([EXCLUDE_FILE
(FILENAME1 FILENAME2 ...) SECTION1 SECTION2 ...)
FILENAME文件名，可以是一個特定的文件的名字，也可以是一個字符串模式。
SECTION名字，可以是一個特定的section名字，也可以是一個字符串模式
例如：
*(.text) ：表示所有輸入文件的.text section (*(EXCLUDE_FILE (*crtend.o *otherfile.o) .ctors)) ：表示除crtend.o、otherfile.o文件外的所有輸入文件的.ctors section。 data.o(.data) ：表示data.o文件的.data section data.o ：表示data.o文件的所有section *(.text .data) ：表示所有文件的.text section和.data section，順序是：第一個文件的.text section，第一個文件的.data section，第二個文件的.text section，第二個文件的.data section，... *(.text) *(.data) ：表示所有文件的.text section和.data section，順序是：第一個文件的.text section，第二個文件的.text section，...，最后一個文件的.text section，第一個文件的.data section，第二個文件的.data section，...，最后一個文件的.data section
2）字符串模式內可存在以下通配符：
* ：表示任意多個字符 ? ：表示任意一個字符 [CHARS] ：表示任意一個CHARS內的字符，可用-號表示范圍，如：a-z ：表示引用下一個緊跟的字符 SORT()：對滿足字符串模式的所有名字進行遞增排序，如SORT(.text*)。
在文件名內，通配符不匹配文件夾分隔符/，但當字符串模式僅包含通配符*時除外。另外，任何一個文件的任意section只能在SECTIONS命令內出現一次。
3）通用符號(common symbol)的輸入section
在許多目標文件格式中，通用符號并沒有占用一個section。連接器認為：輸入文件的所有通用符號在名為COMMON的section內。
4）輸入section和垃圾回收
在連接命令行內使用了選項–gc-sections后，連接器可能將某些它認為沒用的section過濾掉，此時就有必要強制連接器保留一些特定的 section，可用KEEP()關鍵字達此目的。如KEEP(*(.text))或KEEP(SORT(*)(.text))。
5）在輸出section存放數據命令
能夠顯示地在輸出section內填入你想要填入的信息(這樣是不是可以自己通過連接腳本寫程序？當然是簡單的程序)。
BYTE(EXPRESSION) 1 字節
SHORT(EXPRESSION) 2 字節
LOGN(EXPRESSION) 4 字節
QUAD(EXPRESSION) 8 字節
SQUAD(EXPRESSION) 64位處理器的代碼時，8 字節
注意，這些命令只能放在輸出section描述內，其他地方不行。
錯誤：SECTIONS { .text : { *(.text) } LONG(1) .data : { *(.data) } }
正確：SECTIONS { .text : { *(.text) LONG(1) } .data : { *(.data) } }
6）FILL（EXPRESSION）和=FILEEXP屬性
在當前輸出section內可能存在未描述的存儲區域(比如由于對齊造成的空隙)，可以用FILL(EXPRESSION)命令決定這些存儲區域的內容， EXPRESSION的前兩字節有效，這兩字節在必要時可以重復被使用以填充這類存儲區域。如FILE(0×9090)。在輸出section描述中可以
有=FILEEXP屬性，它的作用如同FILE()命令，但是FILE命令只作用于該FILE指令之后的section區域，而=FILEEXP屬性作用
于整個輸出section區域，且FILE命令的優先級更高！！！
7）輸出section內命令的關鍵字
CREATE_OBJECT_SYMBOLS
：為每個輸入文件建立一個符號，符號名為輸入文件的名字。每個符號所在的section是出現該關鍵字的section。
CONSTRUCTORS ：與c++內的(全局對象的)構造函數和(全局對像的)析構函數相關。具體介紹可參看原文 http://linux.chinaunix.net/techdoc/beginner/2009/08/12/1129972.shtml。
8）輸出section的丟棄
例子，.foo { *(.foo) }，如果沒有任何一個輸入文件包含.foo section，那么連接器將不會創建.foo輸出section。但是如果在這些輸出section描述內包含了非輸入section描述命令(如符號
賦值語句)，那么連接器將總是創建該輸出section。
有一個特殊的輸出section，名為/DISCARD/，被該section引用的任何輸入section將不會出現在輸出文件內，
（6）覆蓋圖（overlay）描述
覆蓋圖描述使兩個或多個不同的section占用同一塊程序地址空間。覆蓋圖管理代碼負責將section的拷入和拷出。文法如下，
SECTIONS {
…
OVERLAY [START] : [NOCROSSREFS] [AT ( LDADDR )]
{
SECNAME1
{
OUTPUT-SECTION-COMMAND
OUTPUT-SECTION-COMMAND
…
} [:PHDR...] [=FILL]
SECNAME2
{
OUTPUT-SECTION-COMMAND
OUTPUT-SECTION-COMMAND
…
} [:PHDR...] [=FILL]
…
} [>REGION] [:PHDR...] [=FILL]
…
}
由以上文法可以看出，同一覆蓋圖內的section具有相同的VMA。SECNAME2的LMA為SECTNAME1的LMA加上SECNAME1的大 小，同理計算SECNAME2,3,4…的LMA。SECNAME1的LMA由LDADDR決定，如果它沒有被指定，那么由START決定，如果它也沒有
被指定，那么由當前定位符號的值決定。
NOCROSSREFS關鍵字指定各section之間不能交叉引用，否則報錯。
對于OVERLAY描述的每個section，連接器將定義兩個符號__load_start_SECNAME和__load_stop_SECNAME，這兩個符號的值分別代表SECNAME
section的LMA地址的開始和結束。
連接器處理完OVERLAY描述語句后，將定位符號的值加上所有覆蓋圖內section大小的最大值。
2.5 暗含的鏈接腳本
輸入文件可以是目標文件，也可以是連接腳本，此時的連接腳本被稱為暗含的連接腳本。如果連接器不認識某個輸入文件，那么該文件被當作連接腳本被解析。一個暗含的連接腳本不會替換默認的連接腳本，僅僅是增加新的連接而已。在連接命令行中，每個輸入文件的順序都被固定好了，暗含的連接腳本在連接命令行內占住一個位置，這個位置決定了由該連接腳本指定的輸入文件在連接過程中的順序。
三、實例
例1：
以下腳本將輸出文件的text
section定位在0×10000, data section定位在0×8000000:
SECTIONS
{
. = 0×10000;
.text : { *(.text) }
. = 0×8000000;
.data : { *(.data) }
.bss : { *(.bss) }
}
解釋一下上述的例子:
. = 0×10000 : 把定位器符號置為0×10000
(若不指定, 則該符號的初始值為0).
.text : { *(.text) } : 將所有(*符號代表任意輸入文件)輸入文件的.text
section合并成一個.text section, 該section的地址由定位器符號的值指定, 即0×10000.
. = 0×8000000 ：把定位器符號置為0×8000000
.data : { *(.data) } : 將所有輸入文件的.data
section合并成一個.data section, 該section的地址被置為0×8000000.
.bss : { *(.bss) } : 將所有輸入文件的.bss
section合并成一個.bss section，該section的地址被置為0×8000000+.data section的大小.
連接器每讀完一個section描述后, 將定位器符號的值*增加*該section的大小. 注意: 此處沒有考慮對齊約束。
例2
SECTIONS{
…
OVERLAY 0×1000 : AT (0×4000)
{
.text0 { o1/*.o(.text) }
.text1 { o2/*.o(.text) }
}
…
}
.text0 section和.text1 section的VMA地址是0×1000，.text0 section加載于地址0×4000，.text1 section緊跟在其后。
程序代碼，拷貝.text1 section代碼：
extern char __load_start_text1, __load_stop_text1; memcpy ((char *) 0×1000, &__load_start_text1, &__load_stop_text1 – &__load_start_text1);
例3
PHDRS
{
headers PT_PHDR PHDRS ;
interp PT_INTERP ;
text PT_LOAD FILEHDR PHDRS ;
data PT_LOAD ;
dynamic PT_DYNAMIC ;
}
SECTIONS
{
. = SIZEOF_HEADERS;
.interp : { *(.interp) } :text :interp
.text : { *(.text) } :text
.rodata : { *(.rodata) } /* defaults to :text */
…
. = . + 0×1000; /* move to a new page in memory */
.data : { *(.data) } :data
.dynamic : { *(.dynamic) } :data :dynamic
…
}
例4
MEMORY
{
rom (rx) : ORIGIN = 0, LENGTH = 256K
ram (!rx) : org = 0×40000000, l = 4M
}
總結
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