从头开发一个RISC-V的操作系统(三)编译与链接

文章目录

前提
GCC
- GCC简介
- GCC的主要执行步骤
- GCC涉及的文件类型
ELF
- ELF简介
- ELF文件格式
- ELF文件处理工具：Binutils
练习
参考链接

目标：通过这一个系列课程的学习，开发出一个简易的在RISC-V指令集架构上运行的操作系统。

前提

这个系列的大部分文章和知识来自于：[完结] 循序渐进，学习开发一个RISC-V上的操作系统 - 汪辰 - 2021春，以及相关的github地址。

在这个过程中，这个系列相当于是我的学习笔记，做个记录。

GCC

GCC简介

我们在Linux下经常使用的GCC是由GNU开发的编译器套件。GCC的初衷是为GNU操作系统专门编写一款编译器，现在已经被大多数“Unix-like”操作系统采纳为标准的编译器。
现在来说，另一个常见的编译器套件还有LLVM，它是由苹果公司开发的。

GCC的主要执行步骤

一个.c程序到一个可执行文件主要包括这么几步：源程序->预处理->编译->汇编->链接。预处理有一些宏替换，注释取消等操作；编译则针对预处理的结果进行词法分析，语法分析，语义分析，优化后生成汇编指令；编译则是编译器将汇编语言代码转为CPU可执行的指令；链接是将汇编器生成的目标文件和一些标准库文件组合，生成最终的可执行程序。

GCC涉及的文件类型

.c：C源文件
.cc/.cpp：C++源文件
.i：经过预处理的C源文件
.s/.S：汇编语言源文件
.o：目标文件
.a/.so：编译后的静态文件和共享库(shared object)文件
.out：可执行文件

ELF

ELF简介

ELF(Executable Linkable Format)是一种Unix-like系统上的二进制文件格式标准。
ELF标准中定义的采用ELF格式的文件分为4类：
在这里插入图片描述
这里可以看下第四个是核心转储文件，如果你程序崩溃过，那你估计可能对这个文件有所了解。默认情况下程序崩溃时的dump文件是不会存储的，挺有意思。

ELF文件格式

ELF文件格式分为两种：运行视图(Execution View)和链接视图(Linking View)。
在这里插入图片描述

ELF Header: 描述文件的主要特性：类型，CPU架构，入口地址，现有部分的大小和偏移等等。
Program Header Table: 列举了所有有效的段(segments)和他们的属性。程序头表需要加载器将文件中的节加载到虚拟内存段中(Execution View)；
Section: 按照类型划分不同的节(Linking View)。
Section Header Table: 包含对每个节(sections)的具体描述。

ELF文件处理工具：Binutils

关于Binutils工具的具体知识自行百度即可。
这里阐述几个可能会使用的命令。

as：被gcc调用，输入汇编文件，输出目标文件。因此我们使用gcc来编译c程序生成可执行文件过程中汇编那一个步骤其实是调用了这个工具。
ld：GNU链接器，被gcc调用。
objcopy：执行文件格式转换。
objdump：显示ELF文件的信息。
readelf：显示更多ELF格式文件的信息

练习

编写一个简单的打印 “hello world！” 的程序源文件：hello.c
```
#include<stdio.h>

void main()
{
    printf("hello world!");
}
```
对源文件进行本地编译，生成针对支持 x86_64 指令集架构处理器的目标文件 hello.o。

生成目标文件.o我们要使用-c参数
```
$gcc - c hello.c -o hello.o
```

查看 hello.o 的文件的文件头信息。
使用readelf查看hello.o文件，加上-h参数查看头信息。

$readelf -h hello.o
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
  Class:                             ELF64
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              REL (Relocatable file)
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x0
  Start of program headers:          0 (bytes into file)
  Start of section headers:          712 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           0 (bytes)
  Number of program headers:         0
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         13
  Section header string table index: 12

查看 hello.o 的 Section header table。

$readelf -S hell.o
There are 13 section headers, starting at offset 0x2c8:

Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Address          Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            0000000000000000 000000 000000 00      0   0  0
  [ 1] .text             PROGBITS        0000000000000000 000040 000018 00  AX  0   0  1
  [ 2] .rela.text        RELA            0000000000000000 000218 000030 18   I 10   1  8
  [ 3] .data             PROGBITS        0000000000000000 000058 000000 00  WA  0   0  1
  [ 4] .bss              NOBITS          0000000000000000 000058 000000 00  WA  0   0  1
  [ 5] .rodata           PROGBITS        0000000000000000 000058 00000d 00   A  0   0  1
  [ 6] .comment          PROGBITS        0000000000000000 000065 00002a 01  MS  0   0  1
  [ 7] .note.GNU-stack   PROGBITS        0000000000000000 00008f 000000 00      0   0  1
  [ 8] .eh_frame         PROGBITS        0000000000000000 000090 000038 00   A  0   0  8
  [ 9] .rela.eh_frame    RELA            0000000000000000 000248 000018 18   I 10   8  8
  [10] .symtab           SYMTAB          0000000000000000 0000c8 000120 18     11   9  8
  [11] .strtab           STRTAB          0000000000000000 0001e8 00002b 00      0   0  1
  [12] .shstrtab         STRTAB          0000000000000000 000260 000061 00      0   0  1
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),
  l (large), p (processor specific)

对 hello.o 反汇编，并查看 hello.c 的 C 程序源码和机器指令的对应关系。

$gcc -c -g hello.c -o hello.o
$objdump -S hello.c

hello.o:     file format elf64-x86-64


Disassembly of section .text:

0000000000000000 <main>:
#include<stdio.h>

void main()
{
   0:   55                      push   %rbp
   1:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
    printf("hello world!");
   4:   48 8d 3d 00 00 00 00    lea    0x0(%rip),%rdi        # b <main+0xb>
   b:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
  10:   e8 00 00 00 00          callq  15 <main+0x15>
}
  15:   90                      nop
  16:   5d                      pop    %rbp
  17:   c3                      retq