【ARM 嵌入式 编译系列 10.4.1 -- ELF 文件结构详细介绍】

ARM GCC ELF 文件结构详细介绍

在使用 ARM GCC 编译过程中生成的 ELF 文件，可以分为两个主要部分：ELF 头部（ELF Header）和 ELF 数据（ELF Data）。进一步细分，ELF 数据由程序头表（Program Headers）、节头表（Section Headers）和实际数据（Data）组成。

1. ELF 文件概述

ELF 文件（Executable and Linkable Format）是用于存储可执行文件、共享库和目标文件的标准文件格式。它被广泛用于 Unix 和 Linux 系统中。理解其内部结构对于调试、优化和内存管理等嵌入式开发任务非常重要。

2. ELF 文件结构

ELF 文件主要分为两个部分：

• ELF 头部（ELF Header）：包含文件类型、目标架构、入口点地址等基本信息。
• ELF 数据（ELF Data）：包含程序头表、节头表和实际数据。

2.1 ELF 头部（ELF Header）

ELF 头部是 ELF 文件的第一个部分，包含了关于文件本身的总体信息。关键字段包括：

• 魔术数（Magic Number）：用于识别文件格式。
• 文件类型（File Type）：可能是可重定位文件、可执行文件或共享对象文件。
• 目标架构（Target Architecture）：指定文件适用的硬件架构，如 ARM。
• 入口点地址（Entry Point Address）：程序开始执行的位置。
• 程序头表偏移（Program Header Table Offset）：程序头表在文件中的偏移位置。
• 节头表偏移（Section Header Table Offset）：节头表在文件中的偏移位置。

2.2 ELF 数据（ELF Data）

ELF 数据包含了程序的实际内容和结构信息，主要分为以下三个部分：

2.2.1 程序头表（Program Headers）

程序头表描述了文件中的各个段（Segment），每个段都有具体的类型和属性。常见段包括代码段、数据段等。关键字段包括：

• 类型（Type）：段的类型，例如可加载段（Loadable Segment）。
• 偏移（Offset）：段在文件中的偏移位置。
• 虚拟地址（Virtual Address）：段在内存中的虚拟地址。
• 物理地址（Physical Address）：段在内存中的物理地址（如果需要）。
• 文件大小（File Size）：段在文件中的大小。
• 内存大小（Memory Size）：段在内存中的大小。
• 标志（Flags）：段的权限标志，如可读、可写、可执行。

2.2.2 节头表（Section Headers）

节头表描述了文件中的各个节（Section），每个节都有具体的名称和作用。常见节包括代码节（.text）、数据节（.data）、未初始化数据节（.bss）等。关键字段包括：

• 名称（Name）：节的名称。
• 类型（Type）：节的类型，例如代码、数据、符号表等。
• 地址（Address）：节在内存中的地址。
• 偏移（Offset）：节在文件中的偏移位置。
• 大小（Size）：节的大小。
• 标志（Flags）：节的权限标志。

2.2.3 实际数据（Data）

实际数据部分存储了程序的代码和数据，包括：

• 代码段（.text）：存放程序的机器代码。
• 数据段（.data）：存放已初始化的全局变量和静态变量。
• 未初始化数据段（.bss）：存放未初始化的全局变量和静态变量，不占用文件空间。
• 只读数据段（.rodata）：存放只读数据，例如字符串常量。

3. 示例和工具

使用 GCC 和 Binutils 提供的工具，可以查看和分析 ELF 文件的结构。
查看 ELF 文件头部：

readelf -h myfile.elf

查看程序头表：

readelf -l myfile.elf

查看节头表：

readelf -S myfile.elf

arm-none-eabi-readelf -h demo.elf 命令用于读取和显示 ELF 文件的文件头信息。以下是对 demo.elf 文件头信息的详细解释：

ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
  Class:                             ELF32
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              EXEC (Executable file)
  Machine:                           ARM
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x289
  Start of program headers:          52 (bytes into file)
  Start of section headers:          748260 (bytes into file)
  Flags:                             0x5000400, Version5 EABI, hard-float ABI
  Size of this header:               52 (bytes)
  Size of program headers:           32 (bytes)
  Number of program headers:         4
  Size of section headers:           40 (bytes)
  Number of section headers:         21
  Section header string table index: 20

3.1 详细解释

1. Magic:
   • 值：7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
   • 描述：魔数，用于标识文件为 ELF 文件。前四个字节 7f 45 4c 46 对应于 ASCII 字符