痞子衡嵌入式：ARM Cortex-M文件那些事（4）- 可重定向文件(.o/.a)

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　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家講的是嵌入式開發里的relocatable文件(object, library)。

　　前三節課里，痞子衡都是在給大家介紹嵌入式開發中的input文件。從今天這節課開始，痞子衡就陸續為大家講output文件。上一節課工程文件(.ewp)里講說到project文件是一個承前啟后的文件，今天痞子衡就為大家講project生成的第一類output文件：relocatable文件。

　　文件關系：源文件(.c/.h/.s) + 工程文件(.ewp) -> 可重定向文件(.o/.a)

　　relocatable文件，即可重定向文件，這個文件是由編譯器匯編源文件（.c/.s）而成的。直接生成的重定向文件叫object file，經過封裝的重定向文件稱為library file。可重定向文件屬於ELF文件的分支，關於ELF文件的詳細解釋可見第六節課可執行文件(.out/.elf)。
　　本文主角object file和library file，僅是一個中間的過渡文件，其本身也不能被ARM直接執行，需經過第二步轉換，即鏈接，所以這兩個文件都是鏈接器的輸入文件。讓我們來簡單分析一下這兩個文件。在開始分析之前我們先回到上一節課工程文件(.ewp)的最后創建的demo工程上，編譯這個demo工程可以得到如下.o文件，這些文件全是object文件，每一個源文件都對應一個object文件，本文以task.o為例講解relocatable文件。

D:\myProject\bsp\builds\demo\Release\Obj\main.o
D:\myProject\bsp\builds\demo\Release\Obj\reset.o
D:\myProject\bsp\builds\demo\Release\Obj\startup.o
D:\myProject\bsp\builds\demo\Release\Obj\startup_MKL25Z4.o
D:\myProject\bsp\builds\demo\Release\Obj\system_MKL25Z4.o
D:\myProject\bsp\builds\demo\Release\Obj\task.o -o

一、解析object文件

　　task.o文件大小有11683bytes，而從源文件里看其僅包含4個變量和3個函數，可見更多的數據是記錄性數據。

1.1 獲得file header

c:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe -h task.o
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF32
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              REL (Relocatable file)
  Machine:                           ARM
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x0
  Start of program headers:          0 (bytes into file)
  Start of section headers:          8283 (bytes into file)
  Flags:                             0x5000000, Version5 EABI
  Size of this header:               52 (bytes)
  Size of program headers:           32 (bytes)
  Number of program headers:         0
  Size of section headers:           40 (bytes)
  Number of section headers:         85
  Section header string table index: 1

　　分析file header可知task.o是REL類型ELF文件，其一共含有85個section header，沒有program header。

1.2 獲得section header

c:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe -S task.o
There are 85 section headers, starting at offset 0x205b:

Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            00000000 000034 000000 00      0   0  0
  [ 1] .shstrtab         STRTAB          00000000 000034 0001eb 00      0   0  0
  [ 2] .symtab           SYMTAB          00000000 00021f 000350 10      3  45  0
  [ 3] .strtab           STRTAB          00000000 00056f 000248 00      0   0  0
  [ 8] .bss              NOBITS          00000000 000e1c 000004 00  WA  0   0  4
  [ 9] .noinit           NOBITS          00000000 000e1c 000004 00  WA  0   0  4
  [10] .data             PROGBITS        00000000 000e1c 000004 00  WA  0   0  4
  [11] .bss              NOBITS          00000000 000e20 000010 00  WA  0   0  4
  [12] .text             PROGBITS        00000000 000e20 000058 00  AX  0   0  4
  [13] .textrw           PROGBITS        00000000 000e78 000010 00 WAX  0   0  4
Key to Flags:
  W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), I (info),
  L (link order), O (extra OS processing required), G (group), T (TLS),
  C (compressed), x (unknown), o (OS specific), E (exclude),
  y (purecode), p (processor specific)

　　分析section header可知該task.o里的各個常見section（.bss, .noinit, .data, .text, .textrw）的大小，各個段的含義詳見第二節課鏈接文件(.icf)。

1.3 獲得symbol list

c:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe -s task.o

Symbol table '.symtab' contains 53 entries:
   Num:    Value  Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     3: 00000000    16 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   11 s_array
     4: 00000000     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    8 s_variable0
     5: 00000000     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   10 s_variable2
    45: 00000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND __aeabi_memcpy
    46: 00000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND __aeabi_memset
    47: 00000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND free
    48: 00000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND malloc
    49: 0000000f    60 FUNC    GLOBAL DEFAULT   12 heap_task
    50: 00000000     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    9 n_variable1
    51: 00000001    14 FUNC    GLOBAL DEFAULT   12 normal_task
    52: 00000001    16 FUNC    GLOBAL DEFAULT   13 ram_task

　　分析symbol list可知我們在task.c里定義的函數和全局變量的信息，其中Value表明的是各symbol對象（函數/全局變量）在存儲器中的分配地址，由於object文件並沒有經過鏈接，所以此處地址信息是無效的（待分配的）。翻看到第六節課可執行文件(.out/.elf)里2.2.4一節，便可看到這些symbol對象Value的值開始變得真實有效了。這就解釋了為什么object文件是relocatable的。

二、關於library文件

　　本質上library文件跟object文件是一樣的，都是未經鏈接器鏈接的文件。library文件的應用場景是，在一些特殊場合，你不想把你的C源代碼開放給別人閱讀和自由修改，但是你又需要分享你的代碼給別人使用，怎么解決這個問題？library文件就是解決這個問題的，可以借助編譯器的選項（IAR下是Options->General Options->Output->Output file里選擇Library（默認是executable）），那么添加進整個工程的所有源文件會被匯編封裝成一個.a文件（即library文件），這時候你只需要將該.a文件以及配套API頭文件分享給別人即可。別人只需要添加你的.a文件以及配套.h文件進他自己的工程，便可直接調用你的API。

　　至此，嵌入式開發里的relocatable文件(object, library)文件痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

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