豹哥嵌入式讲堂:A奥德赛M Cortex-M开垦之文件详解(陆)- 可实行文件(.out/.elf)


  我们好,笔者是豹哥,猎豹的豹,犀利哥的哥。明日豹哥给我们讲的是嵌入式开辟里的executable文件(elf)

  第伍、5节课里,豹哥已经给我们介绍了二种output文件,本文继续给大家讲project生成的另1种output文件-executable文件,也是专门重要性的output文件。

  文件涉及:linker文件

  仔细看过豹哥以前课程的对象一定晓得,豹哥在第4节课relocatable文件里介绍的object文件在格式上实际跟本文要讲的elf文件是周围的,它们都属于ELF文件分支。只不是relocatable文件只是中间过渡文件,而本文要讲的elf却是标准的output文件,这一个文件大概涵盖了工程的具有音讯,有了那几个文件我们既能够在线调节和测试工程,也足以将elf文件调换来image文件,直接下载image文件数据进芯片中脱机械运输维。前些天豹哥就为大家精心分析elf文件。

1、elf文件基础

  ELF全称Executable and Linkable
Format,可举行连接格式,ELF格式的公文最早用于存款和储蓄Linux程序,后衍变到AXC60M系统上存储A奥迪Q叁M程序。ELF文件(目的文件)格式重要二种:

  • 可重定向文件:用来和别的的目的文件一齐来创造二个可施行文件大概共享指标文件(也称object文件或然静态库文件,平常后缀为.o和.a的公文)。那一个文件是用以编写翻译和链接阶段。
  • 可施行文件:用于转移应用image,载入存款和储蓄器试行(后缀常常为.out大概.elf)。这些文件是用于加载推行等第。
  • 共享指标文件:用于和其余共享目的文件也许object文件一齐生成可实施文件,或许和可试行文件一齐开创应用image。(也称共享库文件,后缀为.so的文书)。这几个文件既可用以编写翻译和链接阶段,也可用于加载实施阶段。

  大家在AHighlanderM开荒中更加多接触的是前二种格式,第3种格式前面类别小说relocatable文件业已介绍过,本文的栋梁是第两种格式-可实施文件。不管是哪个种类格式的ELF文件,其都大概包涵如下几种基本索引表:

  • file header:1般在文书的开端,描述了ELF文件的全部组织意况。
  • program
    header
    :告诉系统怎样创设image,可推行文件必须具有program
    header,而可重定向文件则不须求。
  • section
    header
    :包涵了描述文件section的音信,各样section都有一个header,每二个header给出诸如section名称、section大小等音信。可重定向文件必须含有section
    header。

  既然知道了存在两种索引表,那么表的构造定义在哪里吧?github上的linux货仓里有切实可行定义,在elf.h头文件里。

Linux仓库:https://github.com/torvalds/linux.git
elf.h路径:\linux\include\uapi\linux\elf.h

  张开elf.h文件便可找到四个表的原型定义,鉴于方今的A奥迪Q7M
Cortex-M都以3贰bit,所以那边仅列出32bit下的表的原型:Elf3二_Ehdr、Elf32_Phdr、Elf32_Shdr。

// file header
#define EI_NIDENT    16
typedef struct elf32_hdr{
  unsigned char e_ident[EI_NIDENT];     /* Magic number and other info */
  Elf32_Half    e_type;                 /* Object file type */  
  Elf32_Half    e_machine;              /* Architecture */  
  Elf32_Word    e_version;              /* Object file version */  
  Elf32_Addr    e_entry;                /* Entry point virtual address */  
  Elf32_Off     e_phoff;                /* Program header table file offset */  
  Elf32_Off     e_shoff;                /* Section header table file offset */  
  Elf32_Word    e_flags;                /* Processor-specific flags */  
  Elf32_Half    e_ehsize;               /* ELF header size in bytes */  
  Elf32_Half    e_phentsize;            /* Program header table entry size */  
  Elf32_Half    e_phnum;                /* Program header table entry count */  
  Elf32_Half    e_shentsize;            /* Section header table entry size */  
  Elf32_Half    e_shnum;                /* Section header table entry count */  
  Elf32_Half    e_shstrndx;             /* Section header string table index */ 
} Elf32_Ehdr;

// program header
typedef struct elf32_phdr{
  Elf32_Word    p_type;           /* Segment type */
  Elf32_Off     p_offset;         /* Segment file offset */
  Elf32_Addr    p_vaddr;          /* Segment virtual address */
  Elf32_Addr    p_paddr;          /* Segment physical address */
  Elf32_Word    p_filesz;         /* Segment size in file */
  Elf32_Word    p_memsz;          /* Segment size in memory */
  Elf32_Word    p_flags;          /* Segment flags */
  Elf32_Word    p_align;          /* Segment alignment, file & memory */
} Elf32_Phdr;

// section header
typedef struct elf32_shdr {
  Elf32_Word    sh_name;          /* Section name, index in string tbl */
  Elf32_Word    sh_type;          /* Type of section */
  Elf32_Word    sh_flags;         /* Miscellaneous section attributes */
  Elf32_Addr    sh_addr;          /* Section virtual addr at execution */
  Elf32_Off     sh_offset;        /* Section file offset */
  Elf32_Word    sh_size;          /* Size of section in bytes */
  Elf32_Word    sh_link;          /* Index of another section */
  Elf32_Word    sh_info;          /* Additional section information */
  Elf32_Word    sh_addralign;     /* Section alignment */
  Elf32_Word    sh_entsize;       /* Entry size if section holds table */
} Elf32_Shdr;

二、解析elf文件

  所谓工欲善其事,必先利其器,在早先解析elf文件从前,大家亟须先找到1款合适的辨析工具,readelf正是GNU/Linux官方推出的专用解析工具。有了这几个分析工具,我们便得以稳步分析elf文件。

2.1 解析工具readelf

  既然elf文件是Linux系统下常用的可实践文件格式,那么Linux社区一定会有配套的工具去分析它,是的,那么些工具就叫readelf,在GNU工具集binutils里。

2.1.1 GNU工具集(binutils)

  GNU是“GNU’s Not
Unix”的递归缩写,又称作GNU陈设,很多名牌的开源软件及工具都以GNU开辟的(比如闻名的C语言编译器GCC)。binutils是GNU1类别binary小工具的会晤,我们从上边的链接里找到官方binutils包。

主页:http://www.gnu.org/software/binutils/
仓库:git://sourceware.org/git/binutils-gdb.git
下载:http://ftp.gnu.org/gnu/binutils/
文档:https://sourceware.org/binutils/docs-2.29/binutils/index.html

  可是使用上述包里的readelf会有1个标题,上述工具是在Linux系统下使用的,而大家平日做A宝马X叁M
Cortex-M开采大多都以在windows平台下,那么怎么在windows下行使readelf工具呢?别急,cygwin给了大家支持。

2.1.2 cygwin(windows下使用GNU)

  Cygwin是贰个在windows平台上运营的类UNIX模拟条件,是cygnus
solutions企业(已被Redhat收购)开拓的自由软件。它对于学习UNIX/Linux操作环境,可能从UNIX到Windows的应用程序移植,特别是应用GNU工具集在Windows上拓展嵌入式系统开荒,相当实惠。

// 下载链接
Installer:http://cygwin.com/install.html
Package:  https://cygwin.com/packages/package_list.html
// 相关包(根据平台选择)
binutils                - GNU assembler, linker, and similar utilities
cygwin32-binutils       - Binutils for Cygwin 32bit toolchain
mingw64-x86_64-binutils - Binutils for MinGW-w64 Win64 toolchain 
mingw64-i686-binutils   - Binutils for MinGW-w64 Win32 toolchain

  下载安装好cygwin包后,便可在装置目录下\cygwin64\bin\找到x86_6四-w6四-mingw3二-readelf.exe工具(豹哥采取的是mingw6四-x八六_64-binutils包)。

2.1.3 readelf.exe用法

  readelf.exe坚守标准的windows命令行用法,使用–help能够列出全部命令option及其简单介绍,下边仅列出比较常用的option。

C:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe --help
Usage: readelf <option(s)> elf-file(s)
 Display information about the contents of ELF format files
 Options are:
  -a --all               Equivalent to: -h -l -S -s -r -d -V -A -I
  -h --file-header       Display the ELF file header
  -l --program-headers   Display the program headers
     --segments          An alias for --program-headers
  -S --section-headers   Display the sections' header
     --sections          An alias for --section-headers
  -t --section-details   Display the section details
  -e --headers           Equivalent to: -h -l -S
  -s --syms              Display the symbol table
     --symbols           An alias for --syms
  --dyn-syms             Display the dynamic symbol table
  -r --relocs            Display the relocations (if present)
  -d --dynamic           Display the dynamic section (if present)
  -V --version-info      Display the version sections (if present)
  -A --arch-specific     Display architecture specific information (if any)
  -I --histogram         Display histogram of bucket list lengths
  @<file>                Read options from <file>

二.2 稳步分析elf文件

  万事俱备了,开始分析elf文件,以第2节课project文件里demo工程为例。编写翻译链接该工程可在D:\myProject\bsp\builds\demo\Release\Exe路线下取得demo.elf文件。该文件大小32612bytes,明显那样轻便的三个小工程image
size不容许那样大,表明elf文件里的笔录音信数据占比非常大。

2.2.1 获得file header
C:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe -h demo.elf
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:                              EXEC (Executable file)
  Machine:                           ARM
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x41
  Start of program headers:          31740 (bytes into file)
  Start of section headers:          31772 (bytes into file)
  Flags:                             0x5000000, Version5 EABI
  Size of this header:               52 (bytes)
  Size of program headers:           32 (bytes)
  Number of program headers:         1
  Size of section headers:           40 (bytes)
  Number of section headers:         21
  Section header string table index: 1

  第贰步首先分析file header,前边介绍里说过file
header是身处文件最前面包车型大巴。通过readelf -h命令能够获得file
header解析后的新闻。让大家来对待一下,使用Hex艾德itor直接展开demo.elf可获取如下数据,仅取前5二bytes(0x34)数据,因为Elf32_Ehdr大小就是52bytes:

offset(h)
00000000: 7F 45 4C 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00000010: 02 00 28 00 01 00 00 00 41 00 00 00 FC 7B 00 00
00000020: 1C 7C 00 00 00 00 00 05 34 00 20 00 01 00 28 00
00000030: 15 00 01 00 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

  能够看来前1陆byte是e_ident[16],与分析后的Magic是一致的;再来验证prgram
header偏移e_phoff=0x00007BFC,数量e_phnum=0x0001,大小e_phentsize=0x0020,也是与分析后的音信相当的;余下可机关对照。

2.2.2 获得program header
C:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe -l demo.elf

Elf file type is EXEC (Executable file)
Entry point 0x41
There are 1 program headers, starting at offset 31740

Program Headers:
  Type           Offset   VirtAddr   PhysAddr   FileSiz MemSiz  Flg Align
  LOAD           0x000034 0x00000000 0x00000000 0x004c4 0x004c4 R E 0x100

 Section to Segment mapping:
  Segment Sections...
   00     A0 rw P1 ro

  再来分析program header,通过readelf -l命令能够收获program
header解析后的新闻。从上边能够查出header初始地方在demo.elf的31740
byte处(与file header里的e_phoff音信是应和的),header音讯提示program
data从offset 0x3肆从头,大小共0x四c4bytes,Reset_Handler入口是0x四一。继续在Hex艾德itor查看31740处开首的3二byte数据,因为Elf32_Phdr大小正是3二bytes:

offset(h)
00007BF0: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 01 00 00 00
00007C00: 34 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 C4 04 00 00
00007C10: C4 04 00 00 05 00 00 00 00 01 00 00 -- -- -- --

  可以看到p_offset=0x00000034,p_memsz=0x00000四c4,
与地点解析后的新闻是如出一辙的;余下可自行对照。
那里的消息就相比根本了,因为那提醒了全数image
binary数据所在(知道了这一个音讯,我们便足以直接写脚本依据elf文件生成image
binary),继续在Hex艾德itor里看下来(仅截取部分显得):

offset(h)
00000030: -- -- -- -- 00 20 00 10 41 00 00 00 03 04 00 00
00000040: 3F 04 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00000050: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00000060: 61 04 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 63 04 00 00
00000070: 65 04 00 00 72 B6 0E 48 0E 49 88 60 00 22 00 23
00000080: 00 24 00 25 00 26 00 27 B8 46 B9 46 BA 46 BB 46

  A大切诺基M系统的image前17个指针都以系统中断向量,我们得以看看SP=0x一千3000,
PC=0x000000肆1,那与地方解析的Reset_Handler入口是0x41是协作的。

2.2.3 获得section header
c:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe -S demo.elf
There are 21 section headers, starting at offset 0x7c1c:

Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            00000000 006338 000000 00      0   0  4
  [ 1] .shstrtab         STRTAB          00000000 006338 0000e6 00      0   0  4
  [ 2] .strtab           STRTAB          00000000 006420 000b7c 00      0   0  4
  [ 3] .symtab           SYMTAB          00000000 006f9c 000c60 10      2 135  4
  [ 4] A0 rw             PROGBITS        00000000 000034 000040 01  AX  0   0 256
  [ 5] P1 ro             PROGBITS        00000040 000074 000484 01  AX  0   0  4
  [ 6] P3 ui             NOBITS          10000000 0004f8 002000 01  WA  0   0  8
  [ 7] P2 rw             NOBITS          10002000 0004f8 000438 01  WA  0   0  8
  [ 8] .debug_abbrev     PROGBITS        00000000 0004f8 0002c6 01      0   0  0
  [ 9] .debug_aranges    PROGBITS        00000000 0007c0 00016c 01      0   0  0
  [10] .debug_frame      PROGBITS        00000000 00092c 00057c 01      0   0  0
  [11] .debug_info       PROGBITS        00000000 000ea8 000e2e 01      0   0  0
  [12] .debug_line       PROGBITS        00000000 001cd8 000dcb 01      0   0  0
  [13] .debug_loc        PROGBITS        00000000 002aa4 00024c 01      0   0  0
  [14] .debug_macinfo    PROGBITS        00000000 002cf0 00011e 01      0   0  0
  [15] .debug_pubnames   PROGBITS        00000000 002e10 00012a 01      0   0  0
  [16] .iar.debug_frame  PROGBITS        00000000 002f3c 00007e 01      0   0  0
  [17] .iar.debug_line   PROGBITS        00000000 002fbc 000367 01      0   0  0
  [18] .comment          PROGBITS        00000000 003324 002fa2 01      0   0  0
  [19] .iar.rtmodel      PROGBITS        00000000 0062c8 000047 01      0   0  0
  [20] .ARM.attributes   ARM_ATTRIBUTES  00000000 006310 000026 01      0   0  0
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)

  再来分析section header,通过readelf -S命令能够收获section
header解析后的新闻。能够观察有成百上千个section,其中最器重的多少个section是A0(readonly
vector), P壹(readonly code,data), P二(readwrite data, heap),
P3(STACK)。具体分析,各位朋友本身尝试看。

2.2.4 获得symbol list
c:cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe -s demo.elf

Symbol table '.symtab' contains 198 entries:
   Num:    Value  Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
    74: 10002018    16 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    7 s_array
    75: 10002014     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    7 s_variable0
    76: 10002010     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    7 s_variable2
   135: 00000000     0 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    4 __vector_table
   140: 00000041     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT    5 Reset_Handler
   141: 00000098     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    5 s_constant
   142: 000000ad    32 FUNC    GLOBAL DEFAULT    5 main
   143: 000000cd    14 FUNC    GLOBAL DEFAULT    5 normal_task
   144: 000000db    60 FUNC    GLOBAL DEFAULT    5 heap_task
   155: 0000034d    84 FUNC    GLOBAL DEFAULT    5 init_data_bss
   156: 000003a1    18 FUNC    GLOBAL DEFAULT    5 init_interrupts
   157: 000003dd    12 FUNC    GLOBAL DEFAULT    5 SystemInit
   186: 10002001    16 FUNC    GLOBAL DEFAULT    7 ram_task
   191: 10002034     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    7 n_variable1

  通过readelf -s命令能够取得symbol
list解析后的信息。能够看到有好多少个symbol,豹哥在此地仅列出利用工程里自定义的函数和变量,从symbol表里我们得以查出函数/变量在存款和储蓄器中实际分配地址和长度,那对于大家更是分析和调节应用是有帮扶的。

2.3 elf文件layout

  经过上1节对demo.elf里相继header的辨析,此时我们便足以粗略地画出elf文件layout。

File offset Data content Data size in bytes
0x00000000 ELF file header 52
0x00000034 Image binary (Section4-A0 rw, .intvec中断向量表) 0x40
0x00000074 Image binary (Section5-P1 ro, readonly section(.text, .rodata…)) 0x484
0x000004F8 Section8-20 (包含各种辅助调试和系统段.debug_xx, .iar.xx) 0x5E3E
0x00006336 NULL 0x2
0x00006338 Section1-.shstrtab字符串表 0xE6
0x00006420 Section2-.strtab字符串信息 0xB7C
0x00006F9C Section3-.symtab符号信息 0xC60
0x00007BFC ELF Program header 0x20
0x00007C1C ELF Section headers (0 – 20) 21 * 40

番外一、几个elf转换image工具

  在后日的番外篇里,豹哥给我们顺便介绍两款专业的elf文件调换到image文件的工具。

工具1:GNU工具objcopy

位置:C:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-objcopy.exe
用法:
      objcopy.exe -O binary -S demo.elf demo.bin
      objcopy.exe -O srec   -S demo.elf demo.s19

备注:一说需用arm-linux-objcopy,待验证

工具2:IAR工具ielftool.exe

位置:\IAR Systems\Embedded Workbench xxx\arm\bin\ielftool.exe
用法:
      ielftool.exe --bin  demo.elf demo.bin
      ielftool.exe --ihex demo.elf demo.hex
      ielftool.exe --srec demo.elf demo.s19

  至此,嵌入式开采里的executable文件(elf)文件豹哥便介绍达成了,掌声在何地~~~