源文件到可执行文件流程
编译:.c 文件变成 .s 汇编文件
汇编:.s 文件变成 .o 可重定位的目标文件
链接:一个或多个.o 文件变成一个可执行文件
ELF 文件和 BIN 文件的区别
BIN文件是直接的二进制文件,内部没有地址标记。bin文件内部数据按照代码段或者数据段的物理空间地址来排列。一般用编程器烧写时从00开始,而如果下载运行,则下载到编译时的地址即可。
在 Linux OS上,为了运行可执行文件,他们是遵循ELF格式的,通常gcc -o test test.c,生成的test文件就是ELF格式的,这样就可以运行了,执行elf文件,则内核会使用加载器来解析elf文件并执行。
在Embedded中,如果上电开始运行,没有OS系统,如果将ELF格式的文件烧写进去,包含一些ELF文件的符号表字符表之类的section,运行碰到这些,就会导致失败,如果用objcopy生成纯粹的二进制文件,去除掉符号表之类的section,只将代码段数据段保留下来,程序就可以一步一步运行。
elf文件里面包含了符号表等。BIN文件是将elf文件中的代码段,数据段,还有一些自定义的段抽取出来做成的一个内存的镜像。并且elf文件中代码段数据段的位置并不是它实际的物理位置。他实际物理位置是在表中标记出来的。
ELF 文件格式详解
ELF文件格式是一个开放标准,各种UNIX系统的可执行文件都采用ELF格式,它有三种不同的类型:
可重定位的目标文件(Relocatable,或者Object File)
可执行文件(Executable)
共享库(Shared Object,或者Shared Library)
符号表机制(readelf -s XXX)
符号表保存了程序实现或使用的所有全局变量和函数,如果程序引用一个自身代码未定义的符号,则称之为未定义符号,这类引用必须在静态链接期间用其他目标模块或者库解决,或在加载时通过动态链接解决
ELF文件格式提供了两种不同的视角,在汇编器和链接器看来,ELF文件是由Section Header Table描述的一系列Section的集合,而执行一个ELF文件时,在加载器(Loader)看来它是由Program Header Table描述的一系列Segment的集合。
左边是从汇编器和链接器的视角来看这个文件,开头的ELF Header描述了体系结构和操作系统等基本信息,并指出Section Header Table和Program Header Table在文件中的什么位置,Program Header Table在汇编和链接过程中没有用到,所以是可有可无的,Section Header Table中保存了所有Section的描述信息。右边是从加载器的视角来看这个文件,开头是ELF Header,Program Header Table中保存了所有Segment的描述信息,Section Header Table在加载过程中没有用到,所以是可有可无的。注意Section Header Table和Program Header Table并不是一定要位于文件开头和结尾的,其位置由ELF Header指出,上图这么画只是为了清晰。
我们在汇编程序中用.section声明的Section会成为目标文件中的Section,此外汇编器还会自动添加一些Section(比如符号表)。Segment是指在程序运行时加载到内存的具有相同属性的区域,由一个或多个Section组成,比如有两个Section都要求加载到内存后可读可写,就属于同一个Segment。有些Section只对汇编器和链接器有意义,在运行时用不到,也不需要加载到内存,那么就不属于任何Segment。
目标文件需要链接器做进一步处理,所以一定有Section Header Table;可执行文件需要加载运行,所以一定有Program Header Table;而共享库既要加载运行,又要在加载时做动态链接,所以既有Section Header Table又有Program Header Table。
下面用readelf
工具读出可重定位的目标文件max.o
的ELF Header和Section Header Table,然后我们逐段分析。
接下来我们来看Section Header Table格式
从Section Header中读出各Section的描述信息,其中.text和.data是我们在汇编程序中声明的Section,而其它Section是汇编器自动添加的。Addr是这些段加载到内存中的地址(我们讲过程序中的地址都是虚拟地址),加载地址要在链接时填写,现在空缺,所以是全0。Off和Size两列指出了各Section的文件地址,比如.data从文件地址0x60开始,一共0x38个字节,回去翻一下程序,.data中定义了14个4字节的整数,一共是56个字节,也就是0x38个。根据以上信息可以描绘出整个目标文件的布局。
这个文件不大,我们直接用hexdump或者使用010 Editor
工具把目标文件的字节全部打印出来看。
.shstrtab
和.strtab
.shstrtab
和.strtab
这两个Section中存放的都是ASCII码:
见.shstrtab
中保存着各Section的名字,.strtab
中保存着程序中用到的符号的名字。每个名字都是以' '结尾的字符串。
我们知道,C语言的全局变量如果在代码中没有初始化,就会在程序加载时用0初始化。这种数据属于.bss段,在加载时它和.data段一样都是可读可写的数据,但是在ELF文件中.data段需要占用一部分空间保存初始值,而.bss段则不需要。也就是说,.bss段在文件中只占一个Section Header而没有对应的Section,程序加载时.bss段占多大内存空间在Section Header中描述。在我们这个例子中没有用到.bss段,以后我们会看到这样的例子。
.rel.text和
.symtab
我们继续分析readelf
输出的最后一部分,是从.rel.text
和.symtab
这两个Section中读出的信息。
.rel.text告诉链接器指令中的哪些地方需要重定位,我们在下一节讨论。
.symtab是符号表。Ndx列是每个符号所在的Section编号,例如data_items在第3个Section里(也就是.data),各Section的编号见Section Header Table。Value列是每个符号所代表的地址,在目标文件中,符号地址都是相对于该符号所在Section的相对地址,比如data_items位于.data段的开头,所以地址是0,_start位于.text段的开头,所以地址也是0,但是start_loop和loop_exit相对于.text段的地址就不是0了。从Bind这一列可以看出_start这个符号是GLOBAL的,而其它符号是LOCAL的,GLOBAL符号是在汇编程序中用.globl指示声明过的符号。
.text节
通过使用objdump
工具可以把程序中的机器指令进行反汇编(Disassemble),得到其汇编代码
可执行文件
先看可执行文件header的变化
在看section header的变化
.text
和.data
的加载地址分别改成了0x08048074和0x0804 90a0。.bss
段没有用到,所以被删掉了。.rel.text
段就是用于链接过程的,链接完了就没用了,所以也删掉了。
在看多出来的两个program header
多出来的Program Header Table描述了两个Segment的信息。.text段和前面的ELFHeader、Program Header Table一起组成一个Segment(FileSiz指出总长度是0x9e),.data段组成另一个Segment(总长度是0x38)。VirtAddr列指出第一个Segment加载到虚拟地址0x0804 8000(注意在x86平台上后面的PhysAddr列是没有意义的),第二个Segment加载到地址0x0804 90a0。Flg列指出第一个Segment的访问权限是可读可执行,第二个Segment的访问权限是可读可写。最后一列Align的值0x1000(4K)是x86平台的内存页面大小。在加载时要求文件中的一页对应内存中的一页,对应关系如下图所示。
这个可执行文件很小,总共也不超过一页大小,但是两个Segment必须加载到内存中两个不同的页面,因为MMU的权限保护机制是以页为单位的,一个页面只能设置一种权限。此外还规定每个Segment在文件页面内偏移多少加载到内存页面仍然偏移多少,比如第二个Segment在文件中的偏移是0xa0,在内存页面0x0804 9000中的偏移仍然是0xa0,所以是从0x0804 90a0开始,这样规定是为了简化链接器和加载器的实现。从上图也可以看出.text段的加载地址应该是0x0804 8074,也正是_start符号的地址和程序的入口地址。
原来目标文件符号表中的Value都是相对地址,现在都改成绝对地址了。此外还多了三个符号__bss_start、_edata和_end,这些是在链接过程中添进去的,加载器可以利用这些信息把.bss段初始化为0。
再看一下反汇编的结果: