第15講-嵌入式程序編譯及運(yùn)行過(guò)程分析

1、第十五講第十五講 - - 嵌入式程序編譯及嵌入式程序編譯及運(yùn)行過(guò)程分析運(yùn)行過(guò)程分析朱光明朱光明西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院編譯過(guò)程分析編譯過(guò)程分析目標(biāo)文件分析目標(biāo)文件分析運(yùn)行過(guò)程分析運(yùn)行過(guò)程分析2022-4-232西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院3西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院4編譯預(yù)處理編譯預(yù)處理q在預(yù)處理階段，輸入的是C語(yǔ)言的源文件，主要處理源文件中的#ifdef、#include和#define等命令，生成中間文件*.i。q命令示例：gcc -E test.c o test.i編譯編譯q在編譯階段，輸入的是中間文件*.i，編譯后生成匯編語(yǔ)言文件*.s。q命令示例：gcc -S te

2、st.i o test.s西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院5匯編匯編q在匯編階段，將輸入的匯編文件*.s轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言*.o。q命令示例：gcc -c test.s o test.o鏈接鏈接q在鏈接階段，將*.o文件及其它庫(kù)文件匯集成一個(gè)可執(zhí)行的二進(jìn)制文件。q命令示例：gcc test.o -o test西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院6西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院7C/C+C/C+源文件源文件cc1/g+cc1/g+頭文件頭文件匯編文件匯編文件asas目標(biāo)文件目標(biāo)文件生成庫(kù)生成庫(kù)連接命令文件連接命令文件可重定位模塊可重定位模塊ldldarar用戶庫(kù)用戶庫(kù)庫(kù)列表庫(kù)列表可執(zhí)行程序可執(zhí)行程序編譯編譯q編譯時(shí)，gcc首

3、先調(diào)用預(yù)處理程序(cpp)對(duì)輸入的源程序進(jìn)行處理，然后調(diào)用cc1 將預(yù)處理后的程序編譯成匯編代碼匯編匯編qas將匯編語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換為ELF (Executable and Linking Format，執(zhí)行時(shí)鏈接文件格式)格式的可重定位目標(biāo)代碼，這些目標(biāo)代碼同其它目標(biāo)模塊或函數(shù)庫(kù)易于定位和鏈接。qas產(chǎn)生一個(gè)交叉參考表和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的符號(hào)表，產(chǎn)生的代碼和數(shù)據(jù)能夠放在多個(gè)區(qū) (Section)中。西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院8庫(kù)管理庫(kù)管理qar將多個(gè)可重定位的目標(biāo)模塊歸檔為一個(gè)函數(shù)庫(kù)文件。q采用函數(shù)庫(kù)文件，應(yīng)用程序能夠從該文件中自動(dòng)裝載要參考的函數(shù)模塊，同時(shí)將應(yīng)用程序中頻繁調(diào)用的函數(shù)放入函數(shù)庫(kù)文件中，易于

4、應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)管理。鏈接鏈接qld根據(jù)鏈接定位文件Linkcmds中的代碼區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、BSS區(qū)和棧區(qū)等定位信息，將可重定位的目標(biāo)模塊鏈接成一個(gè)單一的、絕對(duì)定位的目標(biāo)程序。西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院9西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院10目標(biāo)文件中的內(nèi)容至少有編譯后的目標(biāo)文件中的內(nèi)容至少有編譯后的機(jī)器指令代碼機(jī)器指令代碼、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)。還包括了鏈接時(shí)所須要的一些信息，比。還包括了鏈接時(shí)所須要的一些信息，比如如符號(hào)表、調(diào)試信息、字符串符號(hào)表、調(diào)試信息、字符串等。等。符號(hào)修飾標(biāo)準(zhǔn)、變量?jī)?nèi)層布局、函數(shù)調(diào)用方式等符號(hào)修飾標(biāo)準(zhǔn)、變量?jī)?nèi)層布局、函數(shù)調(diào)用方式等這些跟可執(zhí)行代碼二進(jìn)制兼容性相關(guān)的內(nèi)容稱為這些跟可執(zhí)行代碼二進(jìn)制

5、兼容性相關(guān)的內(nèi)容稱為ABIABI（Application Binary InterfaceApplication Binary Interface）。常見(jiàn)的）。常見(jiàn)的ABIABI格式：格式：西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院11PEELF 一般目標(biāo)文件將這些信息按不同的屬性，以“節(jié)”（Section）的形式存儲(chǔ)，有時(shí)候也叫“段”（Segment）。A.outA.outq不容易支持動(dòng)態(tài)鏈接q不支持C+語(yǔ)言COFFCOFFq非擴(kuò)展版本不支持C+和動(dòng)態(tài)鏈接ELFELFq支持C+q支持動(dòng)態(tài)鏈接q允許交叉編譯和交叉鏈接西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院12可重定位可重定位q編譯器和匯編器創(chuàng)建q運(yùn)行前需要被鏈接器處理可執(zhí)行可

6、執(zhí)行q完成了所有重定位工作和符號(hào)解析q除了運(yùn)行時(shí)解析的共享庫(kù)符號(hào)共享庫(kù)共享庫(kù)q鏈接器需要的符號(hào)信息q運(yùn)行時(shí)可以直接執(zhí)行的代碼西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院13西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院14一個(gè)典型的一個(gè)典型的ELFELF可重定位文件可重定位文件qELF文件頭部q一系列的節(jié)q節(jié)頭部表q段頭部（可選的）第一部分：第一部分：1616個(gè)字節(jié)的個(gè)字節(jié)的e_idente_ident，描述了生成該，描述了生成該文件的系統(tǒng)的字的大小文件的系統(tǒng)的字的大小和字節(jié)順序，獨(dú)立于和字節(jié)順序，獨(dú)立于ELFELF文件中的其它信息文件中的其它信息。q幻數(shù)：4個(gè)字節(jié)，0 x7f、E、L、Fqclass：1個(gè)字節(jié)，1=32位，2=64位

7、qdata：1個(gè)字節(jié)，1=小端，2=大端qversion：1個(gè)字節(jié)，1=當(dāng)前版本qpad：剩余字節(jié)第二部分：幫助鏈接器第二部分：幫助鏈接器語(yǔ)法分析、解釋目標(biāo)文語(yǔ)法分析、解釋目標(biāo)文件的信息件的信息qe_type：1=重定位、2=可執(zhí)行、3=共享庫(kù)qe_machine：0=No machine、1=AT&T WE 32100、2=sparc、3=Intel 80386qe_version：0=Invalid version、1=Current versionqe_ehsize：ELF頭部的大小 （以字節(jié)為單位）qe_flags：體系結(jié)構(gòu)相關(guān)標(biāo)志，總是0可執(zhí)行文件相關(guān)的表項(xiàng)可執(zhí)行文件相關(guān)的表

8、項(xiàng)qe_entry：程序的入口地址，如無(wú)入口地址則該項(xiàng)為0qe_phoff：程序頭部表偏移量，若無(wú)則為0qe_phentsize：程序頭部表中單個(gè)entry的大小qe_phnum：程序頭部表中的entry個(gè)數(shù)重定位文件相關(guān)的表項(xiàng)重定位文件相關(guān)的表項(xiàng)qe_shoff：節(jié)頭部表偏移量，若無(wú)則為0qe_shentsize：節(jié)頭部表中單個(gè)entry的大小qe_shnum：節(jié)頭部表中的entry個(gè)數(shù)qe_shstrndx：節(jié)名字串表所在的節(jié)index.text.text：已編譯程序的機(jī)器代碼：已編譯程序的機(jī)器代碼，具有，具有ALLOCALLOC和和EXECINSTREXECINSTR屬屬性的性的PROG

9、BITSPROGBITS類型區(qū)段，相類型區(qū)段，相當(dāng)于當(dāng)于a.outa.out的文本段的文本段qPROGBITS類型：程序內(nèi)容，包括代碼，數(shù)據(jù)和調(diào)試器信息qALLOC屬性：程序加載時(shí)該區(qū) 段需要占用內(nèi)存空間qEXECINSTR屬性：該區(qū)段包含可執(zhí)行的機(jī)器代碼. .rodatarodata：只讀數(shù)據(jù)，具有：只讀數(shù)據(jù)，具有ALLOCALLOC屬性和屬性和PROGBITSPROGBITS類型類型區(qū)段。由于是只讀數(shù)據(jù)，因此區(qū)段。由于是只讀數(shù)據(jù)，因此沒(méi)有沒(méi)有WRITEWRITE屬性。屬性。.data.data：具有：具有ALLOCALLOC和和WRITEWRITE屬性的屬性的PROGBITSPROGBIT

10、S類型區(qū)段。類型區(qū)段。對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于a.outa.out的數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)段. .bssbss：具有：具有ALLOCALLOC和和WRITEWRITE屬屬性的性的NOBITSNOBITS類型區(qū)段。類型區(qū)段。BSSBSS區(qū)區(qū)段在文件中沒(méi)有分配空間，因段在文件中沒(méi)有分配空間，因此是此是NOBITSNOBITS類型，但由于會(huì)類型，但由于會(huì)在運(yùn)行時(shí)分配空間，所以具有在運(yùn)行時(shí)分配空間，所以具有ALLOCALLOC屬性。屬性。. .symsym：符號(hào)表。存放程序中定：符號(hào)表。存放程序中定義和引用的義和引用的函數(shù)和全局變量函數(shù)和全局變量的的信息。信息。.rel.txt.rel.txt：一個(gè)：一個(gè).text.tex

11、t節(jié)中位置的節(jié)中位置的列表，當(dāng)鏈接器把這個(gè)目標(biāo)文列表，當(dāng)鏈接器把這個(gè)目標(biāo)文件和其它文件結(jié)合時(shí)，需要修件和其它文件結(jié)合時(shí)，需要修改這些位置。改這些位置。. .rel.datarel.data：一個(gè)：一個(gè).data.data節(jié)中位置節(jié)中位置的列表，當(dāng)鏈接器把這個(gè)目標(biāo)的列表，當(dāng)鏈接器把這個(gè)目標(biāo)文件和其它文件結(jié)合時(shí)，需要文件和其它文件結(jié)合時(shí)，需要修改這些位置。修改這些位置。.line.line：源碼到目標(biāo)代碼行號(hào)映：源碼到目標(biāo)代碼行號(hào)映射，只有是使用射，只有是使用-g-g選項(xiàng)調(diào)用進(jìn)選項(xiàng)調(diào)用進(jìn)行編譯時(shí)才會(huì)得到這張表行編譯時(shí)才會(huì)得到這張表.debug.debug：一個(gè)調(diào)試用的符號(hào)表：一個(gè)調(diào)試用的符號(hào)表，包

12、含了定義的局部變量和類，包含了定義的局部變量和類型、全局變量的定義和引用型、全局變量的定義和引用. .strtabstrtab：一個(gè)字符串表，其內(nèi)：一個(gè)字符串表，其內(nèi)容包括容包括. .symtabsymtab和和.debug.debug節(jié)中節(jié)中的符號(hào)表，以及節(jié)頭部中的節(jié)的符號(hào)表，以及節(jié)頭部中的節(jié)名字。名字。sh_namesh_name：節(jié)名在節(jié)字串表：節(jié)名在節(jié)字串表中的索引中的索引sh_typesh_type：節(jié)的屬性：節(jié)的屬性sh_flagssh_flags：節(jié)的標(biāo)志：節(jié)的標(biāo)志sh_addrsh_addr：若該節(jié)可加載，：若該節(jié)可加載，則為該節(jié)第一個(gè)字節(jié)的地址則為該節(jié)第一個(gè)字節(jié)的地址，否則為

13、，否則為0 0sh_offsetsh_offset：節(jié)起始點(diǎn)在文件：節(jié)起始點(diǎn)在文件中的起始位置中的起始位置sh_sizesh_size：節(jié)大?。ㄗ止?jié)為單：節(jié)大?。ㄗ止?jié)為單位）位） sh_linksh_link：相關(guān)信息對(duì)應(yīng)的節(jié)：相關(guān)信息對(duì)應(yīng)的節(jié)號(hào)，若沒(méi)有則為號(hào)，若沒(méi)有則為0 0sh_infosh_info：節(jié)的其它信息：節(jié)的其它信息sh_alignsh_align：節(jié)的對(duì)齊粒度：節(jié)的對(duì)齊粒度sh_entsizesh_entsize：若節(jié)為一個(gè)表：若節(jié)為一個(gè)表時(shí)表項(xiàng)的大小時(shí)表項(xiàng)的大小 注：段頭部表不一定在ELF頭部后，節(jié)頭部也不一定在最后ELFELF段頭部表項(xiàng)段頭部表項(xiàng)r_offsetr_off

14、set的含義：的含義：q可重定位文件：從節(jié)開(kāi)始到受重定位影響的區(qū)域首部的偏移量q可執(zhí)行文件或共享庫(kù)：受重定位影響的單元的虛擬地址r_infor_info的含義：的含義：q24位的symbol域：重定位項(xiàng)在符號(hào)表中的索引q8位的type域：指示如何進(jìn)行重定位 當(dāng)加載器運(yùn)行時(shí)，創(chuàng)建了右圖所示的存儲(chǔ)器映像。 在可執(zhí)行文件中段頭表的指導(dǎo)下，將可執(zhí)行文件中的相關(guān)內(nèi)容拷貝到代碼和數(shù)據(jù)段。西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院38#include#includeint main(int argc, char * argv)int *p = (int *)malloc(sizeof(int);scanf(“%d”,p);p

15、rintf(“%d”,*p);free(p); return 0; 在main之前，main函數(shù)的兩個(gè)參數(shù)（argc和argv）已被正確傳了進(jìn)來(lái)。堆和I/O的初始化已經(jīng)完成。#include#includeusing namespace std; string v; / v的構(gòu)造函數(shù)已經(jīng)在main之前被調(diào)用了int foo() int n; scanf(%d,&n); return n;const int a = foo(); / a的初始化和foo函數(shù)調(diào)用也在main前進(jìn)行int main() printf(%dn,a); return 0;操作系統(tǒng)在創(chuàng)建進(jìn)程后，把控制權(quán)交到了程序的

16、入口操作系統(tǒng)在創(chuàng)建進(jìn)程后，把控制權(quán)交到了程序的入口，這個(gè)入口往往是運(yùn)行庫(kù)中的某個(gè)，這個(gè)入口往往是運(yùn)行庫(kù)中的某個(gè)入口函數(shù)入口函數(shù)。入口函數(shù)對(duì)運(yùn)行庫(kù)和程序運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行入口函數(shù)對(duì)運(yùn)行庫(kù)和程序運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行初始化初始化，包括，包括堆、堆、I/OI/O、線程、全局變量構(gòu)造，等等。、線程、全局變量構(gòu)造，等等。入口函數(shù)在完成初始化之后，入口函數(shù)在完成初始化之后，調(diào)用調(diào)用mainmain函數(shù)函數(shù)，正式開(kāi)，正式開(kāi)始執(zhí)行程序主體部分。始執(zhí)行程序主體部分。mainmain函數(shù)執(zhí)行完畢之后，返回到入口函數(shù)，入口函數(shù)函數(shù)執(zhí)行完畢之后，返回到入口函數(shù)，入口函數(shù)進(jìn)行進(jìn)行清理工作清理工作，包括全局變量析構(gòu)、堆銷毀、關(guān)閉，包括全

17、局變量析構(gòu)、堆銷毀、關(guān)閉I/OI/O等，然后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束進(jìn)程。等，然后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束進(jìn)程。C C程序的入口點(diǎn)，是程序的入口點(diǎn)，是符號(hào)符號(hào)_start_start的地址的地址。在。在_start_start地址地址處的啟動(dòng)代碼（處的啟動(dòng)代碼（startup_codestartup_code）是在目標(biāo)文件）是在目標(biāo)文件crt1.ocrt1.o中中定義的，對(duì)所有的定義的，對(duì)所有的C C程序都一樣。程序都一樣。下圖展示了啟動(dòng)代碼的調(diào)用序列（但省略了將函數(shù)參下圖展示了啟動(dòng)代碼的調(diào)用序列（但省略了將函數(shù)參數(shù)壓入棧的代碼），數(shù)壓入棧的代碼），atexitatexit注冊(cè)程序終止時(shí)應(yīng)調(diào)用的注冊(cè)程序終止時(shí)

18、應(yīng)調(diào)用的程序，程序，exitexit函數(shù)調(diào)用函數(shù)調(diào)用atexitatexit注冊(cè)的代碼，而后從注冊(cè)的代碼，而后從_exit_exit返返回回osos。當(dāng)目標(biāo)文件和共享庫(kù)一起編譯時(shí)就能生成使當(dāng)目標(biāo)文件和共享庫(kù)一起編譯時(shí)就能生成使用共享庫(kù)的可執(zhí)行程序。用共享庫(kù)的可執(zhí)行程序。對(duì)于使用共享庫(kù)的可執(zhí)行程序，文件中會(huì)有對(duì)于使用共享庫(kù)的可執(zhí)行程序，文件中會(huì)有一一. .interpinterp節(jié)，該節(jié)包含了動(dòng)態(tài)鏈接器的路徑。節(jié)，該節(jié)包含了動(dòng)態(tài)鏈接器的路徑。加載器將控制傳遞給動(dòng)態(tài)鏈接器而不是程序加載器將控制傳遞給動(dòng)態(tài)鏈接器而不是程序，動(dòng)態(tài)鏈接器完成共享庫(kù)的重定位。最后，動(dòng)態(tài)鏈接器完成共享庫(kù)的重定位。最后，將控制傳遞給應(yīng)用程序。將控制傳遞給應(yīng)用程序。動(dòng)態(tài)鏈接器執(zhí)行以下步驟完成從程序到進(jìn)程動(dòng)態(tài)鏈接器執(zhí)行以下步驟完成從程序到進(jìn)程映象：映象：q1.分析可執(zhí)行文件中的動(dòng)態(tài)信息section，決定需要哪些共享庫(kù)。q2.定位和映射(map)那些共享庫(kù)，并且分析它們動(dòng)態(tài)信息section決定是否需要附加的共享庫(kù)。q3.為可執(zhí)行程序和那些需要的共享庫(kù)執(zhí)行重定位。q4.調(diào)用共享庫(kù)中提供的初始化函數(shù)并且安排共享庫(kù)提供的清除(cleanu