ARM開發(fā)各種燒寫文件格式說明（ELF、HEX、BIN）

Executable and linking format(ELF)文件是x86Linux系統(tǒng)下的一種常用目標(biāo)文件(object file)格式，有三種主要類型：
(1)適于連接的可重定位文件(relocatable file)，可與其它目標(biāo)文件一起創(chuàng)建可執(zhí)行文件和共享目標(biāo)文件。
(2)適于執(zhí)行的可執(zhí)行文件(executable file)，用于提供程序的進(jìn)程映像，加載的內(nèi)存執(zhí)行。
(3)共享目標(biāo)文件(shared object file)，連接器可將它與其它可重定位文件和共享目標(biāo)文件連接成其它的目標(biāo)文件，動態(tài)連接器又可將它與可執(zhí)行文件和其它共享目標(biāo)文件結(jié)合起來創(chuàng)建一個進(jìn)程映像。
ELF文件格式比較復(fù)雜。

二、HEX

Intel HEX文件是記錄文本行的ASCII文本文件，在Intel HEX文件中，每一行是一個HEX記錄，由十六進(jìn)制數(shù)組成的機(jī)器碼或者數(shù)據(jù)常量，Intel HEX文件經(jīng)常被用于將程序或數(shù)據(jù)傳輸
存儲到ROM、EPROM，大多數(shù)編程器和模擬器使用Intel HEX文件。
記錄格式
一個Intel HEX文件可以包含任意多的十六進(jìn)制記錄，每條記錄有五個域，下面是一個記錄的格式。
: llaaaatt[dd。。。]cc
每一組字母是獨(dú)立的一域，每一個字母是一個十六進(jìn)制數(shù)字，每一域至少由兩個十六進(jìn)制數(shù)字組成，下面是字節(jié)的描述。
: 冒號 是每一條Intel HEX記錄的開始
ll 是這條記錄的長度域，他表示數(shù)據(jù)(dd)的字節(jié)數(shù)目。
aaaa 是地址域，他表示數(shù)據(jù)的起始地址
tt 這個域表示這條HEX記錄的類型，他有可能是下面這幾種類型
00 —-數(shù)據(jù)記錄
01 —-文件結(jié)束記錄
02 —-擴(kuò)展段地址記錄
04 —-擴(kuò)展線性地址記錄
dd 是數(shù)據(jù)域，表示一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，一個記錄可能有多個數(shù)據(jù)字節(jié)，字節(jié)數(shù)目可以
查看ll域的說明
cc 是效驗(yàn)和域，表示記錄的效驗(yàn)和，計算方法是將本條記錄冒號開始的所有字母對
所表示的十六進(jìn)制數(shù)字
都加起來然后模除256得到的余數(shù)最后求出余數(shù)的補(bǔ)碼即是本效驗(yàn)字節(jié)cc。
: 0300000002005E9D
cc=0×01+NOT((0×03+0×00+0×00+0×00+0×02+0×00+0×5E)%0×100)=0×01+0×9C=0×9D >
數(shù)據(jù)記錄
Intel HEX文件由若干個數(shù)據(jù)記錄組成，一個數(shù)據(jù)記錄以一個回車和一個換行結(jié)束
比如下面的一條數(shù)據(jù)記錄
: 10246200464C5549442050524F46494C4500464C33
10 是此行記錄數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)目
2462 是數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始地址
00 是記錄類型00(是一個數(shù)據(jù)記錄)
464C 到 464C 是數(shù)據(jù)
33 是此行記錄的效驗(yàn)和

三、BIN

BIN文件就是直接的二進(jìn)制文件，內(nèi)部沒有地址標(biāo)記。一般用編程器燒寫時從00開始，而如果下載運(yùn)行，則下載到編譯時的地址即可。

總結(jié)：可以由ELF文件轉(zhuǎn)化為其它兩種文件，HEX也可以直接轉(zhuǎn)換為BIN文件，但是BIN要轉(zhuǎn)化為HEX文件必須要給定一個基地址。而HEX和BIN不能轉(zhuǎn)化為elf文件，因?yàn)镋LF的信息量要大。另外還有一種ads的調(diào)試文件axf，
它可以轉(zhuǎn)化為BIN文件，用以下命令 fromelf -nodebug xx。axf -bin xx。bin即可。

這里所說的ARM系統(tǒng)基本文件格式，都是在基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中常會碰到的文件格式。
ARM系統(tǒng)基本文件格式有三種：
1)BIN，平板式二進(jìn)制格式，一般用于直接燒寫到Flash中，也可以用于加載到monitor程序中。
2)ELF，EXECUTABLEANDLINKABLEFORMAT，一種通用的OBJECT文件格式，一般由GNUCOMPILERCOLLECTION(GCC)產(chǎn)生。
3)AXF，BIN格式的擴(kuò)展版,主體部分同BIN，在文件頭和尾加入了調(diào)試用的信息，用于AXD。
本文主要討論BIN與ELF。
首先說明，ELF格式是一種OBJECT文件格式。一般OBJECT文件都可以分成三類：可重定位OBJECT文件，可執(zhí)行OBJECT文件，共享OBJECT文件。ELF格式文件也可以分成這三種。
首先說說可重定位OBJECT文件。這種OBJECT文件一般由GCC中的ASSEMBLER(as)產(chǎn)生(請不要認(rèn)為GCC只是編譯器)，里面除了二進(jìn)制的機(jī)器代碼，還有一些可用于進(jìn)行重定位的信息。它主要是作為LINKER(ld)的輸入，LINKER將跟據(jù)這些信息，將需要重定位的符號重定位，進(jìn)而產(chǎn)生可執(zhí)行的OBJECT文件。ELF格式的可重定位OBJECT文件由header與section組成。
Header包括ELFheader與sectionheader.ELFheader位于文件的頭部，用于存儲目標(biāo)機(jī)器的架構(gòu)，大小端配置，ELFheader大小，object文件類型，sectionheader在文件中的偏移，sectionheader的大小，sectionheader中的項目數(shù)等信息。Sectionheader則定義了文件中每個section的類型，位置，大小等信息。Linker就是通過查找ELFheader，找到sectionheader的入口，再在sectionheader中找到相應(yīng)的section入口，進(jìn)而定位到目標(biāo)section的。
Section包括
.text：經(jīng)過編譯的機(jī)器代碼。
.rodata：只讀的數(shù)據(jù)，例如printf(“hello!”)中的字符串hello。
.data：已初始化的全局變量，局部變量將在運(yùn)行時被存放在堆棧中，不會在.data或.bss段中出現(xiàn)。
.bss：未初始化的全局變量，在這里只是一個占位符，在object文件中并沒有實(shí)際的存儲空間。
.symtab：符號表，用于存放程序中被定義的或被引用到的全局變量和函數(shù)的信息。
.rel.text：一個保存著一系列在.text中的位置的列表。這些位置將在linker把這個文件與其它object文件合并時被修改，一般來說，這些位置都是保存著一些引用到全局變量或者外部函數(shù)的指令。引用局部變量或者本地函數(shù)的指令是不需要被修改的，因?yàn)榫植孔兞亢捅镜睾瘮?shù)的地址一般都是使用PC相對偏移地址的。需要注意的是，這個section和下面的.rel.data在運(yùn)行時并不需要，生成可執(zhí)行的ELFobject文件時會去掉這個section。
.rel.data：保存全局變量的重定位信息。一般來說，如果一個全局變量它的初始化值是另一個全局變量的地址，或者是外部函數(shù)的地址，那么它就需要被重定位。
.debug：保存debug信息。
.strtab：一個字符串表，保存著.symtab和.debug,和各個section的名字。.symtab，.debug和sectiontable里面，凡是保存name的域，其實(shí)都是保存了一個偏移值，通過這個偏移值在這個字符串表里面可以找到相應(yīng)得字符串。
下面仔細(xì)討論一下.symtab：
每一個可重定位的object文件，都會有一個.symtab。這個符號表保存了在這個object文件中所有被定義的和被引用的符號。當(dāng)源程序是C語言程序時，.symtab中的符號直接來源于C編譯器(cc1)。這里所說的符號主要有三種：
1)在這個object文件中被定義的可以被其他object文件全局符號。在C語言源程序中，主要就是那些非靜態(tài)（沒有static修飾的）的全局變量和非靜態(tài)的函數(shù)。在ARM匯編語言中，就是那些被EXPORT指令導(dǎo)出的變量。
2)在這個object文件中引用到，但是在其他文件中定義的全局變量。在ARM匯編語言中就是通過IMPORT命令引入的變量
3)本地變量。本地變量只在本object文件內(nèi)可見。這里的本地變量指的是連接器本地變量，應(yīng)該和一般的程序本地變量作區(qū)別。這里所指的本地變量，包括用static修飾的全局變量，object文件中section名稱，源代碼文件名稱。一般意義上的本地變量，是在運(yùn)行時由系統(tǒng)的運(yùn)行時環(huán)境管理的，linker并不關(guān)心。
每個符合上面條件的符號在.symtab文件中都會有一個數(shù)據(jù)項。這個數(shù)據(jù)項的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是：

Typedefstruct{
intname;//符號名稱，其實(shí)就是.strtab的偏移值
intvalue;//在section中的位置，以相對section地址的偏移表示
intsize;//大小
chartype;//類型，一般是數(shù)據(jù)或函數(shù)
charbinding;//是本地變量還是全局變量
charreserved;//保留的位
charsection;//符號所屬的section。可選有：.text(用數(shù)字1代表)，.data(用數(shù)
//3代表)，ABS（不應(yīng)被重定位的符號），UND（在本object文件
//中未定義的符號，可能在別的文件中定義），COM（一般的未初//始化的變量符號）。
}ELF_sym

現(xiàn)在假設(shè)組成應(yīng)用的各個模塊都已經(jīng)被匯編，構(gòu)建出了可重定位的object文件。這些object的結(jié)構(gòu)都是一樣的，有各自的.text,.datasection,有各自的.symtab.GCC下一步要做的就是使用linker(ld),把這些object文件，加上必要的庫連接成具有絕對運(yùn)行時地址的可執(zhí)行文件，就是可執(zhí)行的ELF格式的文件。
Linker的連接動作可以分為兩部分：
1)符號解析。確定引用符號的指向。
2)符號重定位。合并section,分配運(yùn)行時環(huán)境地址，引用符號重定位。
符號解析：
在一個object文件中，有指令定義了符號，也有指令引用了符號。可能存在這樣一種情況，一個被引用到的符號，有多重的定義。符號解析的作用就是確定，在這個object文件中，一個符號引用真正引用的是哪個符號。
在編譯的時候，除了在本文件中定義的全局變量會由編譯器生成一個符號表項之外，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個被引用到的符號在本文件中并沒有被定義，編譯器也會自動產(chǎn)生一個符號表項，把確定這些引用的工作留給linker。匯編器在匯編時將讀取這些符號表項，生成.symtab。在讀取的過程中，如果發(fā)現(xiàn)有在無法確定的符號引用項，匯編器會為這些符號額外生成一個數(shù)據(jù)項，稱作重定位數(shù)據(jù)項，存放于rel.text或rel.datasection中，交由linker確定。下面是重定位數(shù)據(jù)項（relocationentry）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

Typedefstruct{
intoffset;//指明需要被重定位的引用在object中的偏移，實(shí)際上就是需要被重定位的引用
//在object中的實(shí)際位置
intsymbol;//這個被重定位的引用真實(shí)指向的符號
inttype;//重定位類型：R_ARM_PC24:使用24bit的PC相對地址重定位引用
//R_ARM_ABS32:使用32bit絕對地址重定位引用
}Elf32_Rel

Linker需要解析的，就是那些被生成了重定位數(shù)據(jù)項的引用。Linker將根據(jù)C語言定義的規(guī)則，對于每一個重定位數(shù)據(jù)項，在輸入的各個object文件中查找適合的符號，把這個符號填入symbol項中。但是由于還不知道這個符號的真實(shí)地址，所以現(xiàn)在就算知道了引用的真實(shí)指向，但我們還是不能確定這個引用指向的地址。
符號重定位：
符號重定位用來解決上面的問題。Linker首先進(jìn)行section的合并。Linker合并object文件的過程很簡單，一般就是相同屬性的section合并，例如不同object文件的.textsection將被合并成一個.text。同樣，.symtabsection也被合并成一個.symtab。這里面涉及到兩個問題：
1)各個object文件合并的順序。這個問題涉及到最終指令和符號的運(yùn)行地址。最為重要的是，究竟是哪個section排在最前頭？在ARMRAW系統(tǒng)得開發(fā)過程中，這個最為重要。ARM系統(tǒng)CPU上電后，系統(tǒng)會自動的從0x00000000地址取指令并執(zhí)行，這個地址上映射著存儲器。這個動作是不可編程的。所以排在最前面的section一定要包含有程序的入口點(diǎn)，否則系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。
2)輸入段與輸出端之間的對應(yīng)關(guān)系。理論上，任何section,都可以被隨意的映射到一個輸出段中。一個.datasection是可以與一個.textsection組成輸出一個.text的。當(dāng)然這樣的動作毫無意義。我們必須告訴linker使用那些section作為輸入，產(chǎn)生一個輸出section.
以上這兩個問題，都是通過一個稱為連接腳本的文件控制的。Linker通過讀取連接腳本，來決定section從輸入到輸出的映射，設(shè)置程序的入口點(diǎn)，設(shè)置哪個section應(yīng)該在整個可執(zhí)行文件的頭部等問題。
連接腳本還有另外一個作用，那就是指定每個section的地址。在section合并完成后，linker將跟據(jù).symtab，對符號進(jìn)行統(tǒng)一的編址，分配一個絕對的運(yùn)行時地址。這個地址是以section地址作為基地址的。假設(shè).textsection的地址是0x00000000，那么.text里面的符號將以0x00000000這個地址作為基準(zhǔn)地址。指定section地址的工作也是由連接腳本完成。在嵌入式開發(fā)中常見的在編譯工程時需指定的text_base,data_base等參數(shù)，最后會被加入到連接腳本中，從而完成section的地址分配。
以上兩步完成后，linker執(zhí)行引用符號重定位操作。Linker遍歷.relsection(包括.reltext和.reldata)，對于其中的每個數(shù)據(jù)項，根據(jù)symbol域到.symtab中查出相應(yīng)的引用的真實(shí)地址(經(jīng)過上面的地址分配，現(xiàn)在.symtab里面的符號都具有絕對的運(yùn)行地址)，再根據(jù)offset域提供的偏移，將這個地址填入相應(yīng)的位置上。
至此，符號重定位工作全部完成。Linker刪除用于保存重定位信息的rel.text和rel.datasection，加入一個segmentheader和一個.initsection。生成可執(zhí)行的ELF格式的object文件。
Segmentheader保存了用于操作系統(tǒng)內(nèi)存映射的信息。.initsection包含了一個_init的函數(shù)。程序加載時，操作系統(tǒng)的程序加載器通過讀取segmentheader，將程序加載到用戶內(nèi)存空間，并根據(jù)segmentheader里面映射信息，分別將.text段和.data段映射到適當(dāng)?shù)牡刂飞?。然后再調(diào)用.init中的_init函數(shù)，完成初始化工作。
由于ELF文件具有通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在流行的開發(fā)模式是，先通過編譯工具生成ELF文件格式的可執(zhí)行文件，在使用外部工具，抽離出ELF文件中的相應(yīng)部分，生成BIN文件。例如著名的GNUbootloaderU-Boot，就采用了這種做法，編譯器工具集是GCC，BIN生成工具是elf2bin。ARM公司著名的開發(fā)環(huán)境ADS，雖然使用的是自家的armcc,和armcpp編譯器，但他們的工作方式卻是與GNUGCC如出一轍。