Linker script 簡介

Linker script，就是給Linker 看的script。

Linker:
當然這樣是在講廢話，首先要先知道Linker 是什麼：在程式編譯成物件檔之後，會把所有的物件檔集合起來交給連結器(linker)，Linker 會把裡面的符號位址解析出來，定下真正的位址之後，連結成可執行檔。
例如我們在一個簡單的C 程式裡，include 一個標頭檔並使用裡面的函數，或者用extern 宣告一個外部的變數，在編譯成標頭檔的時候，編譯器並不清楚最終函數和變數的真正位址，只會留下一個符號參照。
待我們把這些東西送進linker，linker就會把所有的標頭檔整理起來，把程式碼的部分整理起來、變數的部分整理起來，然後知道位址了就把位址都定上去，如果有任何無法解析的符號，就會丟出undefined reference error。

我們可以試試：
外部函數，在一個foo.h 裡宣告，並在foo.c 裡面定義：

int foo();

外部變數，在var.c 裡面定義

int var;

在main.c 裡面引用它們：

#include “foo.h”
extern int var;
int main(){
  var = 10000;
  foo();
  return 0;
}

開始編譯

gcc -c main.c
gcc -c foo.c

這樣我們就得到兩個物件檔 main.o跟foo.o，我們可以用objdump -x 把物件檔main.o的內容倒出來看看，其中有趣的就是這個：

SYMBOL TABLE:
0000000000000000 g F .text 000000000000002a main
0000000000000000 *UND* 0000000000000000 var
0000000000000000 *UND* 0000000000000000 foo RELOCATION RECORDS FOR [.text]:
OFFSET TYPE VALUE
0000000000000011 R_X86_64_PC32 var-0x0000000000000008
000000000000001f R_X86_64_PC32 foo-0x0000000000000004

可以看到var, foo 這兩個符號還是未定(UND, undefined)，若我們此時強行連結，就會得到：

main.c:(.text+0x11): undefined reference to 'var'
main.c:(.text+0x1f): undefined reference to'foo'

必須把foo.o 跟var.o 兩個檔案一起連結才行。

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Linker script:

好了Linker講了這麼多，那linker script 呢？

Linker script 可以讓我們對linker 下達指示，把程式、變數放在我們想要的地方，一般的gcc 都有內建的linker script，平常我們開發x86系統跟arm系統，會使用不同的gcc，就是在這些預設的設定上有所不同，要是把這團亂七八糟的東西每key一次gcc 都要重輸入就太麻煩了；可以用ld --verbose 輸出，這裡看到的是支援x86 系統的linker script ，講下去又另一段故事，先跳過不提。

我們這裡拿燒錄在STM32 硬體上的linker script 來講，linker script 可見：
https://github.com/yodalee/mini-arm-os/blob/master/02-ContextSwitch-1/os.ld

Linker 的作用，就是把輸入物件檔的section整理成到輸出檔的section，最簡單的linker script 就是用SECTIONS指令去定義section 的分佈：

SECTIONS
{
. = 0x10000;
.text : { *(.text) }
. = 0x8000000;
.data : { *(.data) }
.bss : { *(.bss) }
}

在Linker script 裡面，最要緊的就是這個符號 '.' location counter，你可以想像這是一個探針，從最終執行檔的頭掃到尾，而 '.' 這個符號就指向現在掃到的位址，你可以讀取現在這個探針的位址，也可以移動探針。
不指定的話location counter 預設會從0的位置開始放置，而這段script，先把location counter 移到0x10000，在這裡寫入.text section，再來移到0x8000000放.data 跟.bss。
這裡檔名的match 支援適度的正規表示式，像*, ?, [a-z] 都可以使用，在這裡用wildcard直接對應到所有輸入檔案的sections。
光是SECTION 就講不清的用法，把指定某檔案的Section (file.o(.data))，排除某些檔案的section (EXCLUDE_FILE)
幸運的是，通常我們都不會想不開亂改linker script，這些位置的放法要看最終執行的硬體而定，亂放不會有什麼好下場。

另外linker script 也定義一些指令，這裡列一些比較常用的：

ENTRY:
另外我們可以用ENTRY指定程式進入點的符號，不設定的話linker會試圖用預設.text 的起始點，或者用位址0的地方；在x86 預設的linker script 倒是可以看到這個預設的程式進入點：
ENTRY(_start)

既然linker script 是用來解析所有符號的，那它裡面能不能有符號，當然可以，但有一點不同，一般在C 語言裡寫一個變數的話，它會在symbol table 裡面指明一個位址，指向一個記憶體空間，可以對該位址讀值或賦值；而在linker script 裡的符號，就只是將該符號加入symbol table內，指向一個位址，但位址裡沒有內容，定義這個符號就是要取位址。
一般在linker script 裡面定義符號，都是要對記憶體特定位址作操作：
以上面的STM32 硬體為例，因為FLASH 記憶體被map 到0x00000000，RAM的資料被指向0x20000000，為了把資料從FLASH 搬到RAM 裡，在linker script 的RAM 兩端，加上了：

_sidata = .;
//in FLASH _sdata = .;
_edata = .;

等於是把當前 location counter 這根探針指向的位址，放到_sdata 這個符號裡面，所以在主程式中，就能向這樣取用RAM 的位址：

extern uint32_t _sidata;
extern uint32_t _sdata;
extern uint32_t _edata;

uint32_t *idata_begin = &_sidata;
uint32_t *data_begin = &_sdata;
uint32_t *data_end = &_edata;
while (data_begin < data_end) *data_begin++ = *idata_begin++;

注意我們用reference 去取_sdata, _edata 的位址，這是正確用法。

Linker script 還定義了PROVIDE 指令，來避免linker script 的符號跟C中相衝突，上面如果在C程式裡有_sdata的變數，linker 會丟出雙重定義錯誤，但如果是

PROVIDE(_sdata = .)

就不會有這個問題。

KEEP 指令保留某個符號不要被最佳化掉，在script 裡面isr_vector是exception handler table，如果不指定的話它會被寫到其他區段，可是它必須放在0x0的地方，因此我們用KEEP 把它保留在0x0上。

MEMORY:
Linker 預設會取用全部的記憶體，我們可以用MEMORY指令指定記憶體大小，例子中我們指定了FLASH跟RAM的輸出位置與大小：

MEMORY { FLASH (rx) : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 128K
RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 40K

} 接著我們在上面的SECTION部分，就能用 > 符號把資料寫到指定的位置
也就是例子裡，把 .text section全塞進 FLASH位址的寫法，如果整體程式碼大於指定的記憶體，linker 也會回報錯誤。

結語：

Linker 其實是個古老而複雜的東西，Linker script 裡面甚至有OVERLAY這個指令，來處理overlay 的執行檔連結，但一般來說，除非是要寫嵌入式系統，需要對執行檔的擺放位置做特別處理，否則大部分的程式都不會去改linker script，都直接用預設的組態檔下去跑就好了。

這篇只介紹了極限基本的linker script，完整內容還是請看文件。

參考內容：
Linker script document:
https://sourceware.org/binutils/docs/ld/Scripts.html

如果要知道linker如何處理位置無關符號，請見：
https://www.technovelty.org/c/position-independent-code-and-x86-64-libraries.html