链接地址/虚地址/物理地址/加载地址以及edata/end/text的含义

链接脚本简介

ucore kernel各个部分由组成kernel的各个.o或.a文件构成,且各个部分在内存中地址位置由ld工具根据kernel.ld链接脚本(linker script)来设定。ld工具使用命令-T指定链接脚本。链接脚本主要用于规定如何把输入文件(各个.o或.a文件)内的section放入输出文件(lab2/bin/kernel,即ELF格式的ucore内核)内, 并控制输出文件内各部分在程序地址空间内的布局。下面简单分析一下/lab2/tools/kernel.ld,来了解一下ucore内核的地址布局情况。kernel.ld的内容如下所示:

/* Simple linker script for the ucore kernel.
   See the GNU ld 'info' manual ("info ld") to learn the syntax. */

OUTPUT_FORMAT("elf32-i386", "elf32-i386", "elf32-i386")
OUTPUT_ARCH(i386)
ENTRY(kern_entry)

SECTIONS {
    /* Load the kernel at this address: "." means the current address */
    . = 0xC0100000;

    .text : {
        *(.text .stub .text.* .gnu.linkonce.t.*)
    }

    PROVIDE(etext = .); /* Define the 'etext' symbol to this value */

    .rodata : {
        *(.rodata .rodata.* .gnu.linkonce.r.*)
    }

    /* Include debugging information in kernel memory */
    .stab : {
        PROVIDE(__STAB_BEGIN__ = .);
        *(.stab);
        PROVIDE(__STAB_END__ = .);
        BYTE(0)     /* Force the linker to allocate space
                   for this section */
    }

    .stabstr : {
        PROVIDE(__STABSTR_BEGIN__ = .);
        *(.stabstr);
        PROVIDE(__STABSTR_END__ = .);
        BYTE(0)     /* Force the linker to allocate space
                   for this section */
    }

    /* Adjust the address for the data segment to the next page */
    . = ALIGN(0x1000);

    /* The data segment */
    .data : {
        *(.data)
    }

    PROVIDE(edata = .);

    .bss : {
        *(.bss)
    }

    PROVIDE(end = .);

    /DISCARD/ : {
        *(.eh_frame .note.GNU-stack)
    }
}

其实从链接脚本的内容,可以大致猜出它指定告诉链接器的各种信息:

  • 内核加载地址:0xC0100000
  • 入口(起始代码)地址: ENTRY(kern_entry)
  • cpu机器类型:i386

其最主要的信息是告诉链接器各输入文件的各section应该怎么组合:应该从哪个地址开始放,各个section以什么顺序放,分别怎么对齐等等,最终组成输出文件的各section。除此之外,linker script还可以定义各种符号(如.text、.data、.bss等),形成最终生成的一堆符号的列表(符号表),每个符号包含了符号名字,符号所引用的内存地址,以及其他一些属性信息。符号实际上就是一个地址的符号表示,其本身不占用的程序运行的内存空间。

链接地址/加载地址/虚地址/物理地址

ucore 设定了ucore运行中的虚地址空间,具体设置可看 lab2/kern/mm/memlayout.h 中描述的"Virtual memory map "图,可以了解虚地址和物理地址的对应关系。lab2/tools/kernel.ld描述的是执行代码的链接地址(link_addr),比如内核起始地址是0xC0100000,这是一个虚地址。所以我们可以认为链接地址等于虚地址。在ucore建立内核页表时,设定了物理地址和虚地址的虚实映射关系是:

phy addr + 0xC0000000 = virtual addr

即虚地址和物理地址之间有一个偏移。但boot loader把ucore kernel加载到内存时,采用的是加载地址(load addr),这是由于ucore还没有运行,即还没有启动页表映射,导致这时采用的寻址方式是段寻址方式,用的是boot loader在初始化阶段设置的段映射关系,其映射关系(可参看bootasm.S的末尾处有关段描述符表的内容)是:

linear addr = phy addr = virtual addr

查看 bootloader的实现代码 bootmain::bootmain.c

readseg(ph->p_va & 0xFFFFFF, ph->p_memsz, ph->p_offset);

这里的ph->p_va=0xC0XXXXXX,就是ld工具根据kernel.ld设置的链接地址,且链接地址等于虚地址。考虑到ph->p_va & 0xFFFFFF == 0x0XXXXXX,所以bootloader加载ucore kernel的加载地址是0x0XXXXXX, 这实际上是ucore内核所在的物理地址。简言之: OS的链接地址(link addr) 在tools/kernel.ld中设置好了,是一个虚地址(virtual addr);而ucore kernel的加载地址(load addr)在boot loader中的bootmain函数中指定,是一个物理地址。

小结一下,ucore内核的链接地址==ucore内核的虚拟地址;boot loader加载ucore内核用到的加载地址==ucore内核的物理地址。

edata/end/text的含义

在基于ELF执行文件格式的代码中,存在一些对代码和数据的表述,基本概念如下:

  • BSS段(bss segment):指用来存放程序中未初始化的全局变量的内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。
  • 数据段(data segment):指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。
  • 代码段(code segment/text segment):指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定,并且内存区域通常属于只读, 某些架构也允许代码段为可写,即允许修改程序。在代码段中,也有可能包含一些只读的常数变量,例如字符串常量等。

在lab2/kern/init/init.c的kern_init函数中,声明了外部全局变量:

extern char edata[], end[];

但搜寻所有源码文件*.[ch],没有发现有这两个变量的定义。那这两个变量从哪里来的呢?其实在lab2/tools/kernel.ld中,可以看到如下内容:

…
.text : {
        *(.text .stub .text.* .gnu.linkonce.t.*)
}
…
    .data : {
        *(.data)
}
…
PROVIDE(edata = .);
…
    .bss : {
        *(.bss)
}
…
PROVIDE(end = .);
…

这里的“.”表示当前地址,“.text”表示代码段起始地址,“.data”也是一个地址,可以看出,它即代表了代码段的结束地址,也是数据段的起始地址。类推下去,“edata”表示数据段的结束地址,“.bss”表示数据段的结束地址和BSS段的起始地址,而“end”表示BSS段的结束地址。

这样回头看kerne_init中的外部全局变量,可知edata[]和 end[]这些变量是ld根据kernel.ld链接脚本生成的全局变量,表示相应段的起始地址或结束地址等,它们不在任何一个.S、.c或.h文件中定义。

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