基于RISC-V的编译链接和装载08之静态ELF装载

基于RISC-V的编译链接和装载08之静态ELF装载

目录

• 基于RISC-V的编译链接和装载08之静态ELF装载
  • 1 裸机环境下ELF装载
  • 2 linux环境下ELF装载
    • 2.1 Linux 环境ELF的装载执行流程
    • 2.2 一个简单的ELF加载器

静态ELF的装载过程很简单，简单来说就是：“准备好栈空间，然后跳转到函数入口地址”，就可以向下执行了。

如果讨论得更细致，需要区分裸机环境下ELF装载以及linux系统环境下ELF装载。

1 裸机环境下ELF装载

对于裸机代码，只能使用静态ELF，裸机环境下静态ELF装载的核心就是：

• 设置栈指针，为函数调用和局部变量的存储准备好栈
• 跳转到入口，开始执行C代码

可以查看RISC-V 裸机启动流程，嵌入式系统上电后执行的第一段软件代码是引导程序，这段程序往往由汇编语言编写(一般为crt0.S 或 Start.S)。

简略描述如下，可见设置栈指针以及跳转入口是其中的核心步骤。

1. CPU复位
   ↓
2. PC跳转到复位向量
   ↓
3. 设置栈指针
   ↓
4. 清零.bss段
   ↓
5. 复制.data段 (ROM → RAM)
   ↓
6. 设置中断/异常向量
   ↓
7. 初始化C库 (可选)
   ↓
8. 跳转到main()

为什么裸机环境一定要设置栈指针呢？

更准确的是问：为什么C函数一定要提前设置好栈指针呢？

答案是：因为RISC-V寄存器有限，需要来回在这些寄存器里面倒腾数据，所以需要栈结构帮助保存数据。

• 对于汇编代码需要自己手动显式的使用栈，由程序员自己决定是否、何时、如何使用栈；
• 对于C语言则是编译器来隐式用栈，编译器会在函数序言里自动生成依赖 sp 的指令，用来存放局部变量、保存返回地址和溢出寄存器等

所以C函数一定要提前设置好栈指针。

2 linux环境下ELF装载

2.1 Linux 环境ELF的装载执行流程

后面会和动态ELF装载一起介绍，见第11章。

2.2 一个简单的ELF加载器

常见的ELF加载器的设计思路：

首先通过读取ELF文件头来提取出信息，然后使用read系统调用将各个段读取到内存中，并将其存储在ELF Exec结构体的相应成员中。最后，跳转到ELF Exec的entry指向的位置开始执行程序。

03_simple_elfloader用例是一个简单的用户态（userspace）的 RISC-V ELF 加载器，模仿 Linux 内核的 fs/binfmt_elf.c。它把 ELF 文件映射进当前进程的地址空间、构造一份 Linux 规范的初始栈（argc/argv/envp/auxv），然后跳转到入口点。动态链接的 ELF 交给 ld.so 去完成链接，静态 PIE 则直接跳程序入口。

详细的编译参数见用例中的README：

$ cd riscv-elf-link-load/test/03_simple_elfloader
$ make all        # build RV64  -> build/rv64/
$ make rv32       # build RV32  -> build/rv32/
$ make run        # build + run RV64 tests under qemu
$ make rv32-run   # build + run RV32 tests under qemu

其整体流程为：

打开 ELF 文件
  └─ read_elf_headers()     读并校验 ELF 头 + program header 表
  └─ load_elf()             加载主程序（目标 ELF， 把PT_LOAD 段映射进内存）
  └─ 扫描 PT_INTERP：
       └─ 有 → read_elf_headers + load_elf 加载 ld.so
       └─ 无 → 静态程序，跳过
  └─ mmap 一块 8MB 新栈
  └─ build_initial_stack()  构造初始栈
  └─ jump_to()              内联汇编：mv sp; jr entry，永不返回

这个用例支持两种目标：

1. 动态 ELF（ET_DYN + PT_INTERP）：如 hello_dyn → 加载 ld.so，跳 ld.so 入口，由它完成重定位后跳 main。
2. 静态 PIE（ET_DYN，无 PT_INTERP）：如 hello_static（-static-pie）→ 直接跳程序入口。

动态ELF加载后续第11章会继续讲述。

参考：

1. https://blog.51cto.com/u_11529070/9213902
2. 【内核】ELF 文件执行流程 - _hong - 博客园
3. embedded2014/elf-loader: Simplified ELF loader for ARM Cortex-M4 based platform
4. https://github.com/moshego189/tiny-link
5. martinribelotta/elfloader: ARMv7M ELF loader
6. https://github.com/xrw67/elfloader
7. riscv-isa-sim/fesvr/elfloader.cc at master · riscv-software-src/riscv-isa-sim
8. https://github.com/riscv-software-src/riscv-pk