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ELF文件的LCS(Linker Command Script)学习

news 来源：原创 2025/6/20 18:26:50

1、什么是LCS?

LCS，是Linker Command Script，即链接器命令脚本，用于指导链接器如何将多个目标文件和库文件组合成最终的ELF可执行文件或共享库的脚本文件。嵌入式系统开发和自定义内存布局场景使用较多，允许程序开发者可以精细的控制内存空间的分配和段的排列。

主要功能：

（1）定义内存区域：
指定程序的各个部分（如代码、数据、堆栈等）在内存中的起始地址和大小。
例如，可以定义代码段位于特定的地址范围，数据段位于另一个区域。


（2）指定输入文件：
指定需要链接的目标文件和库文件。
控制这些文件的输入顺序，影响最终的布局。


（3）分配和对齐段：
定义段的对齐方式，确保段从特定的地址边界开始。
例如，确保某个段从新的4K页开始，避免与具有不同权限的段冲突。


（4）设置基地址：
指定程序的基地址，影响整个程序的内存布局。


（5）生成输出文件：
指定生成的ELF文件的格式和名称。

2、为什么需要使用LCS？

自定义内存布局：在嵌入式系统中，内存资源有限，需要精确控制段的布局，以优化性能和利用率。
避免段冲突：通过调整段的对齐和位置，避免不同权限段的冲突。
优化性能：合理安排代码和数据段的位置，提高缓存利用率和访问效率。

3、LCS（Linker Command Script）文件如何影响程序链接？

LCS（Linker Command Script）文件是链接器（Linker）的重要配置文件，它通过定义程序的内存布局、段的分配与对齐、输入文件的管理以及输出文件的格式，直接影响程序的链接过程，下面给出一些简单实例。

3.1、定义内存区域

MEMORY
{
    RAM (rwx) : ORIGIN = 0x12345678, LENGTH = 128K
    ROM (rx)  : ORIGIN = 0x80000000, LENGTH = 256K
}

LCS文件中可以定义程序运行时使用的内存区域。

ORIGIN：定义内存区域的起始地址。
LENGTH：定义内存区域的大小。
权限（rwx）：定义内存区域的访问权限（读、写、执行）。

3.2、分配和对齐段（sections）

LCS文件通过SECTIONS部分定义程序各个段的布局和对齐方式。例如：

SECTIONS
{
    .text :
    {
        *(.text)
    } > ROM AT> ROM
    . = ALIGN(4096);  // 确保下一个段从新的4K页开始

    .rodata :
    {
        *(.rodata)
    } > ROM

    .data :
    {
        *(.data)
    } > RAM

    .bss :
    {
        *(.bss)
    } > RAM
}

命令解析：

（1）段的分配：
*(.text)：将所有目标文件中的.text段（代码段）合并到ELF文件的.text段中。
> ROM：将.text段分配到ROM区域。

（2）段的对齐：
. = ALIGN(4096)：确保下一个段从新的4K页开始，避免与具有不同属性的段（如.text和.rodata）发生冲突。

（3）段的排列：
控制段的排列顺序，例如先分配.text段，再分配.rodata段，最后是.data和.bss段。

3.3、指定输入文件

LCS文件中可以指定需要链接的目标文件和库文件。例如：

INPUT
{
    startup.o
    main.o
    libc.a
}

确保链接器只处理指定的输入文件，避免遗漏或包含无关的文件；控制输入文件的顺序，影响段的合并和排列。

3.4、设置基地址

LCS文件可以指定程序的基地址，例如：

OUTPUT_BASE = 0x08000000;

确保程序在特定的内存地址空间中运行，避免地址冲突。

3.5、生成输出文件

LCS文件可以指定输出文件的格式和名称，例如：

OUTPUT = "program_test.elf";

4、不使用LCS文件可能出现什么问题？

不使用LCS文件可能会导致内存布局不合理、段对齐问题、输入文件管理混乱、基地址设置不当以及影响程序的可移植性和稳定性等问题。特别是在嵌入式系统中，LCS文件对于精确控制内存布局和优化程序性能至关重要。

（1）默认内存布局可能导致资源浪费
链接器使用默认的内存布局策略，可能会导致内存空间的不充分利用，特别是在嵌入式系统中，内存资源有限，精确控制内存布局尤为重要。

（2）段对齐问题引发权限冲突
不使用LCS文件，链接器可能无法确保不同权限的段（如代码段和只读数据段）在内存中的对齐，导致同一内存页中存在不同权限的段，引发权限冲突。

（3）输入文件管理混乱
链接器可能会默认包含所有的目标文件和库文件，导致不必要的文件被链接，增加程序的体积，影响运行效率。

（4）基地址设置不当
如果不使用LCS文件，链接器可能会使用默认的基地址，这可能与实际硬件的内存布局不匹配，导致程序无法正确运行。

（5）影响程序的可移植性
默认内存布局可能与特定硬件平台的内存结构不匹配，导致程序在不同平台上运行时出现不稳定或兼容性问题。

（6）难以进行自定义优化
没有LCS文件，开发者无法根据具体需求对内存布局进行优化，比如调整段的排列顺序或对齐方式，以提高缓存利用率或访问效率。

（7）潜在的运行时错误
不合理的内存布局可能导致程序在运行时出现不可预测的行为，如内存溢出、段错误等，影响程序的稳定性和可靠性。

5、LCS文件中使用. = ALIGN(4096) 和 . = ALIGN(4)的区别是什么？

在链接器命令脚本（LCS）中，. = ALIGN(size) 用于将当前位置对齐到下一个 size 的边界。

5.1、. = ALIGN(4096)

. = ALIGN(4096) 或者 . = ALIGN(4K):

（1）粒度：4096字节

（2）应用场景：适用于较大内存块的对齐，如代码段（.text）、只读数据段（.rodata）等。确保这些段位于内存页的边界上，提高缓存利用率，因为内存有通常以4K为划分单位。

5.2、. = ALIGN(4)

（1）粒度：4字节

（2）应用场景：适用于对齐较小的数据结构，如整数、指针等。确保这些数据在内存中对齐，提高访问速度。

5.3、对齐边界

. = ALIGN(4096) ，确保当前位置是4096的倍数。

. = ALIGN(4)，确保当前位置是4的倍数。

5.4、对性能的影响

. = ALIGN(4K)：

提高缓存利用率，减少缓存不命中，提升程序的整体性能。
适用于需要高效访问的代码段和只读数据段。
. = ALIGN(4)：

提高数据访问速度，减少内存访问延迟。
适用于需要快速访问的小型数据结构。

5.5、示例对比

假设当前位置地址是0x12345678，那么：

. = ALIGN(4K)：

计算下一个 4K 边界：0x12345678 的下一个 4K 边界是 0x12348000。
当前位置将被调整为 0x12348000。
. = ALIGN(4)：

计算下一个 4 字节边界：0x12345678 % 4 = 0，当前位置已经是 4 字节对齐，无需调整。

6、常见问题

6.1、段落冲突导致链接时报错问题

段落冲突的原因：

.text段具有（XR）属性，.rodata段具（WR）属性；

在内存管理中，同一4K页不能同时具有不同的权限（如可执行和可写），因此会导致冲突。

例如：

这种错误一般出现在linker阶段，常见编译报错提示：Exception: Cannot find compatible mapping for 4K page at virtual address B05F5000。

针对这种报错，解决思路如下：

（1）根据报错的虚拟地址，找到该地址所在的段，如.text段；

（2）找到项目对应的lcs文件

（3）lcs文件中找到.text段，然后在text段后面添加. = ALIGN(4K)

如下：

  .text           :
  {
    *libqurtkernel_main.a:(.text .text.*)
    
    *(.text.unlikely .text.*_unlikely)
    *(.text.hot .text.hot.* .gnu.linkonce.t.hot.*)
    *(.text .stub .text.* .gnu.linkonce.t.*)
    /* .gnu.warning sections are handled specially by elf32.em.  */
    *(.gnu.warning)
    _start__lcxx_override = .;
    *(__lcxx_override)
    _stop__lcxx_override = .;
    . = ALIGN(4);
  } :CODE =0x00c0007f
	. = ALIGN(4K); //这里添加