7.1 汇编工具链：as、ld与链接脚本

7.1 汇编工具链：as、ld 与链接脚本

本节摘要：GNU 工具链把"生成程序"拆成编译器、汇编器、链接器三道独立工序：编译器产出汇编文本，汇编器把文本编成目标文件，链接器按链接脚本把目标文件拼成镜像。本节拆开三道工序的接口——目标文件的段与符号表，手写一个裸机链接脚本，并解决"未定义符号"这一最高频报错。

前六章我们的命令都是 gcc 一条龙到底，本节把一条龙拆回三匹马。拆开的价值在于接口本身：汇编器与链接器之间的"段与符号表"协议，是理解目标文件、静态库、链接报错、固件布局的全部基础——第 6 章启动代码引用的那些界碑符号，就诞生在这个协议里。

三匹马各拉一段

先分清职责。编译器（cc1，由 gcc 驱动）吃 C 产出汇编文本——第 1 章的 -S 开关就是让它在此时停手。汇编器（as）吃汇编文本产出目标文件：把助记符翻成机器码、记录段与符号。链接器（ld）吃一批目标文件加链接脚本，产出最终镜像：合并同类段、解析符号引用、按脚本摆放地址。gcc 驱动程序只是替你按顺序调度三匹马——-v 开关能看到它实际执行的每条子命令。手跑一遍三阶段，看清中间产物：

aarch64-linux-gnu-gcc -c sum.c -o sum.o          # 编译加汇编两步并作一步
aarch64-linux-gnu-as -march=armv8-a startup.s -o startup.o   # 纯汇编文件走汇编器
aarch64-linux-gnu-ld -T baremetal.ld startup.o sum.o -o image.elf
​

目标文件里有什么？objdump -h sum.o 列出段清单：.text 代码、.data 已初始化数据、.bss 未初始化数据、.rodata 常量，还有重定位信息——ldr x0, =some_symbol 这类引用在汇编时地址未知，汇编器只能先留坑并登记"此处需重定位"，链接时由链接器填坑。符号表（nm sum.o 可见）是另一份合同：每个符号标注定义还是引用、属于哪段。链接器的全部工作可以概括成一句话：把所有人引用的符号都找到定义者，把所有段按脚本摆到位，把所有重定位坑填上。

链接脚本：裸机的地图绘制台

用户态程序用默认脚本就够，裸机必须手写。链接脚本语法不多，核心是 MEMORY（有哪些内存）与 SECTIONS（段怎么摆）。给 6.2 节的启动代码配一份完整地图：

/* baremetal.ld ：最小裸机链接脚本 */
ENTRY(_start)                     /* 入口符号：谁第一句执行 */
MEMORY
{
  FLASH (rx)  : ORIGIN = 0x40000000, LENGTH = 4M   /* 代码与常量：可读可执行 */
  RAM   (rwx) : ORIGIN = 0x42000000, LENGTH = 2M   /* 数据与栈：可读可写可执行关掉更安全 */
}
SECTIONS
{
  .text : { KEEP(*(.text.boot)) *(.text .rodata) } > FLASH
  .data : {
    _data_start = .;              /* 界碑：运行地址起 */
    *(.data)
    _data_end = .;
  } > RAM AT> FLASH               /* 双地址：运行在 RAM，初值躺在 FLASH */
  _data_load = LOADADDR(.data);   /* 界碑：装载地址，启动代码搬运的源头 */
  .bss (NOLOAD) : {
    __bss_start = .;
    *(.bss *(COMMON))
    __bss_end = .;
  } > RAM
  . = ALIGN(16);                  /* 栈顶对齐到 16：AAPCS 的老规矩 */
  _stack_top = .;
}
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四个关键语法对应第 6 章的四部曲：ENTRY(_start) 告诉调试器与仿真器入口在哪；.text 里 KEEP(*(.text.boot)) 防止链接器把没人引用的启动节裁掉；.data 的 > RAM AT> FLASH 就是"装载域与运行域分离"的语法本体，LOADADDR 取出装载地址供搬运；NOLOAD 让 BSS 不占镜像体积（上电内存本来就随机，清零是启动代码的事）。写完用 objdump -h image.elf 核对各段落位，再拿 nm image.elf 验证界碑符号都有值——这两条命令是链接脚本调试的眼睛。

图 7-2：链接脚本把目标文件拼成镜像的过程

实战：未定义符号的三种病因

链接报错是汇编工程师的老朋友，三种病因覆盖绝大多数案例。病因一，符号真没定义：报 undefined reference to 'sum'，用 nm 查目标文件——小写 U 表示只有引用没有定义，多半是忘了链接对应的目标文件或库。病因二，架构不匹配：报 file format not recognized 或"skipping incompatible"，混进了别的架构的目标文件（比如把宿主机编的 .o 混进交叉链），用 file sum.o 看架构声明即可确诊。病因三，C++ 名字修饰：C++ 编译的 sum 在符号表里叫一长串修饰名，汇编里的 sum 匹配不上——给 C++ 函数加 extern "C" 声明关闭修饰。三种病因的诊断流程图一张收拢：先 file 查架构，再 nm 查符号，最后查修饰名——顺序按成本从低到高。

深挖：静态库、链接顺序与裁剪开关

链接顺序报错是新手第二个高峰：把库写在目标文件之前，报"未定义符号"。机制一句话：链接器从左往右扫，遇到未解析引用时记下名字，只有后续输入里的定义才能配对——库在左边，引用还没出现，配对就错过。规则：被依赖者放右边。静态库（ar 工具把一批目标文件打包成一份归档）内部还有一层按需取用：链接器只从库里捞"能配对当前未解析引用"的成员，其余成员一律不进镜像——所以库里塞一堆用不上的函数不增体积，这是静态库比直接堆目标文件省的地方。

裸机方向的裁剪开关与链接脚本是一对搭档：--gc-sections 让链接器丢弃没被引用的节，但启动入口这类"没人引用却必须保留"的节要用 KEEP 括住——7.1 正文的脚本里那句 KEEP(*(.text.boot)) 就是干这个的。裁剪前后用 size 命令对比镜像体积，再抽查入口节还在不在，是裸机发布的固定动作。变式：把 --gc-sections 与函数级节开关（-ffunction-sections，每个函数独立成节）配合，裁剪粒度从文件级细化到函数级——同一份代码，镜像尺寸往往再降一截。

本节要点回顾

• 三匹马分工：编译器出文本、汇编器出目标文件、链接器出镜像，gcc 只是调度员。
• 目标文件两合同：段清单管数据住哪，符号表管谁定义谁引用。
• 链接脚本三件套：MEMORY 定区域、SECTIONS 摆段、界碑符号给启动代码用。
• 双地址语法：> RAM AT> FLASH 加 LOADADDR 是裸机搬运的官方配合。
• 报错三病因：未定义、不匹配、名字修饰，按 file 加 nm 的顺序诊断。

工具链配齐了。下一节进观察台：调试器单步与性能分析，把运行中的程序看个透。