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AT - Section Attribute of GNU Linker Scripts

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By sfeng
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AT - Section Attribute of GNU Linker Scripts

Preface

  最近解决了一个小MCU系统里memory分配的问题。这个小系统本身memory有限，而且还是非连续的两块，原本是把binary(.text，.rodata，.data)放在第一块，其他的(.bss，.stack，.heap)放第二块，现在feature增加，binary超出了第一块的大小，应该怎么办？

Content

  这个问题其实有个很常用的场景就是ROM code。细节上稍有不同，原理一致。众所周知ROM code是在芯片tape out前就准备好放在netlist里的，是固化在芯片内部read only的code。但代码中有一个段叫.data section，它保存了默认值为非0的全局或者局部变量的值，这些值在运行过程中极大可能会被改变，而ROM code在芯片里是read only的，这部分是如何处理的呢？ATF里的BL1给了很好的例子。

Note:
本文中分析的ATF代码版本为v2.11。
示例中引用的编译结果为编译QEMU ARMv8的输出。

  一般来讲，ATF的BL1是用来做ROM code的，这在官方文档AP_BL1里有介绍。BL1里关于本文提出的问题主要有两个方面，一个是如何pack，另一个是如何load。

Pack

  没有看ATF BL1这段之前，博主通过objcopy的功能也可以处理.data section的问题。具体有下面几个步骤：

  1. ld script文件里把.data section的位置设置为最终要run的VMA1
    注：ROM code中，这里的VMA一定是可修改的RAM或者DRAM。

  2. 根据生成的elf文件，用下面命令生成不带.data的binary，如xx.code.bin

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    objcopy -O binary -R .data xx.elf xx.code.bin

  3. 根据生成的elf文件，用下面命令生成只有.data的binary，如xx.data.bin

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    objcopy -O binary -j .data xx.elf xx.data.bin
  4. 把xx.code.bin做一定的alignment，把xx.code.bin和xx.data.bin cat在一起

  如果直接objcopy -O binary xx.elf xx.bin，中间不连续的地址部分也会被填充。比如.data段的VMA和.text的结尾有2M的空间，那么最终生成的bin文件也会多出2M的填充数据。

  ATF BL1里的处理太简单了，看如下代码(bl1.ld.S)：

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DATA_SECTION >RAM AT>ROM

  一行搞定。其中“>RAM”定义里VMA1，而“AT>ROM”则定义了LMA2。这里就是AT这个关键字的功劳。
  有点抽象，来看下展开是什么样子的。

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......

.data . : ALIGN(16) {
    __DATA_START__ = .;
    *(SORT_BY_ALIGNMENT(.data*)) __DATA_END__ = .; 
} >RAM AT>ROM
__DATA_RAM_START__ = __DATA_START__;
__DATA_RAM_END__ = __DATA_END__;

......

__DATA_ROM_START__ = LOADADDR(.data);

......

  在dump文件中看下其中几个变量的值：

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000000000e0ee000 g       .data  0000000000000000 __DATA_RAM_START__
000000000e0ee105 g       .data  0000000000000000 __DATA_RAM_END__
0000000000006b00 g       *ABS*  0000000000000000 __DATA_ROM_START__

  它们分别对应VMA的开始和结束和LMA的开始。

  再来看下build好的BL1 for QEMU ARMv8的section table：

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Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .text         00005000  0000000000000000  0000000000000000  00001000  2**11
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
  1 .rodata       00001b00  0000000000005000  0000000000005000  00006000  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  2 .data         00000105  000000000e0ee000  0000000000006b00  00008000  2**4
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  3 .stacks       00001000  000000000e0ee140  0000000000006c05  00008140  2**6
                  ALLOC
  4 .bss          00000860  000000000e0ef140  0000000000006c10  00008140  2**5
                  ALLOC

  主要看属性里有LOAD的部分，其中.text和.rodata的VMA和LMA是一样的，而.data的VMA在0xe0ee000，LMA则是0x6b00。这些值和上面lds里的几个值是符合的。

Load

  Load部分直接看ATF里怎么处理的。这段code在el3_common_macros.S里。

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#if defined(IMAGE_BL1) ||	\
	(defined(IMAGE_BL2) && RESET_TO_BL2 && BL2_IN_XIP_MEM)
		adrp	x0, __DATA_RAM_START__
		add	x0, x0, :lo12:__DATA_RAM_START__    /* set x0 to start of VMA */
		adrp	x1, __DATA_ROM_START__
		add	x1, x1, :lo12:__DATA_ROM_START__    /* set x1 to start of LMA */
		adrp	x2, __DATA_RAM_END__
		add	x2, x2, :lo12:__DATA_RAM_END__      /* set x2 to end of VMA  */
		sub	x2, x2, x0                          /* set x2 to the size of data section */
		bl	memcpy16                            /* copy data section from LMA to VMA */
#endif

Recap

  通过pack和load这两个步骤，ROM code自己就把原本放在ROM里的.data section放在了RAM或者DRAM里。回到本文开头的问题，把.data section分离出来，从第一块memory挪到第二块memory，是不是就释放出一定大小的memory给.text！

Reference

GNU Linker Doc
GNU Linker Doc2
TFA doc

  1. Virtual Memory Address. This is the address the section will have when the output file is run. ↩︎ ↩︎2

  2. Load Memory Address. This is the address at which the section will be loaded. ↩︎

GNU Linker
lds rom bl1
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