大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家講的是嵌入式開發里的executable文件(elf)。
第四、五節課里，痞子衡已經給大家介紹了2種output文件，本文繼續給大家講project生成的另一種output文件-executable文件，也是特別重要的output文件。
文件關系：鏈接文件(.icf) + 工程文件(.ewp) + 可重定向文件(.o/.a) -> 可執行文件(.out/.elf)
仔細看過痞子衡之前課程的朋友肯定知道，痞子衡在第四節課可重定向文件(.o/.a)里介紹的object文件在格式上其實跟本文要講的elf文件是類似的，它們都屬于ELF文件分支。只不是relocatable文件只是中間過渡文件，而本文要講的elf卻是標準的output文件，這個文件幾乎包含了工程的所有信息，有了這個文件我們既可以在線調試工程，也可以將elf文件轉換成image文件，直接下載image文件數據進芯片中脫機運行。今天痞子衡就為大家仔細分析elf文件。
一、elf文件基礎
ELF全稱Executable and Linkable Format，可執行連接格式，ELF格式的文件最早用于存儲Linux程序，后演變到ARM系統上存儲ARM程序。ELF文件（目標文件）格式主要三種：
可重定向文件：用來和其他的目標文件一起來創建一個可執行文件或者共享目標文件（也稱object文件或者靜態庫文件，通常后綴為.o和.a的文件）。這個文件是用于編譯和鏈接階段。
可執行文件：用于生成應用image，載入存儲器執行（后綴通常為.out或者.elf）。這個文件是用于加載執行階段。
共享目標文件：用于和其他共享目標文件或者object文件一起生成可執行文件，或者和可執行文件一起創建應用image。（也稱共享庫文件，后綴為.so的文件）。這個文件既可用于編譯和鏈接階段，也可用于加載執行階段。
我們在ARM開發中更多接觸的是前兩種格式，第一種格式前面系列文章可重定向文件(.o/.a)已經介紹過，本文的主角是第二種格式-可執行文件。不管是哪種格式的ELF文件，其都可能包含如下三種基本索引表：
file header：一般在文件的開始，描述了ELF文件的整體組織情況。
program header：告訴系統如何創建image，可執行文件必須具有program header，而可重定向文件則不需要。
section header：包含了描述文件section的信息，每個section都有一個header，每一個header給出諸如section名稱、section大小等信息。可重定向文件必須包含section header。
既然知道了存在三種索引表，那么表的結構定義在哪里呢？github上的linux倉庫里有具體定義，在elf.h頭文件里。
Linux倉庫：https://github.com/torvalds/linux.gitelf.h路徑：\linux\include\uapi\linux\elf.h
打開elf.h文件便可找到三個表的原型定義，鑒于目前的ARM Cortex-M都是32bit，所以此處僅列出32bit下的表的原型：Elf32_Ehdr、Elf32_Phdr、Elf32_Shdr。
// file header
#define EI_NIDENT 16
typedef struct elf32_hdr{
unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; /* Magic number and other info */
Elf32_Half e_type; /* Object file type */
Elf32_Half e_machine; /* Architecture */
Elf32_Word e_version; /* Object file version */
Elf32_Addr e_entry; /* Entry point virtual address */
Elf32_Off e_phoff; /* Program header table file offset */
Elf32_Off e_shoff; /* Section header table file offset */
Elf32_Word e_flags; /* Processor-specific flags */
Elf32_Half e_ehsize; /* ELF header size in bytes */
Elf32_Half e_phentsize; /* Program header table entry size */
Elf32_Half e_phnum; /* Program header table entry count */
Elf32_Half e_shentsize; /* Section header table entry size */
Elf32_Half e_shnum; /* Section header table entry count */
Elf32_Half e_shstrndx; /* Section header string table index */
} Elf32_Ehdr;
// program header
typedef struct elf32_phdr{
Elf32_Word p_type; /* Segment type */
Elf32_Off p_offset; /* Segment file offset */
Elf32_Addr p_vaddr; /* Segment virtual address */
Elf32_Addr p_paddr; /* Segment physical address */
Elf32_Word p_filesz; /* Segment size in file */
Elf32_Word p_memsz; /* Segment size in memory */
Elf32_Word p_flags; /* Segment flags */
Elf32_Word p_align; /* Segment alignment, file & memory */
} Elf32_Phdr;
// section header
typedef struct elf32_shdr {
Elf32_Word sh_name; /* Section name, index in string tbl */
Elf32_Word sh_type; /* Type of section */
Elf32_Word sh_flags; /* Miscellaneous section attributes */
Elf32_Addr sh_addr; /* Section virtual addr at execution */
Elf32_Off sh_offset; /* Section file offset */
Elf32_Word sh_size; /* Size of section in bytes */
Elf32_Word sh_link; /* Index of another section */
Elf32_Word sh_info; /* Additional section information */
Elf32_Word sh_addralign; /* Section alignment */
Elf32_Word sh_entsize; /* Entry size if section holds table */
} Elf32_Shdr;二、解析elf文件
所謂工欲善其事，必先利其器，在開始解析elf文件之前，我們必須先找到一款合適的解析工具，readelf就是GNU/Linux官方推出的專用解析工具。有了這個解析工具，我們便可以逐步分析elf文件。
2.1 解析工具readelf
既然elf文件是Linux系統下常用的可執行文件格式，那么Linux社區一定會有配套的工具去解析它，是的，這個工具就叫readelf，在GNU工具集binutils里。
2.1.1 GNU工具集（binutils）
GNU是“GNU's Not Unix”的遞歸縮寫，又稱為GNU計劃，很多著名的開源軟件及工具都是GNU開發的（比如大名鼎鼎的C語言編譯器GCC）。binutils是GNU一系列binary小工具的集合，大家從下面的鏈接里找到官方binutils包。
- 主頁：http://www.gnu.org/software/binutils/
- 倉庫：git://sourceware.org/git/binutils-gdb.git
- 下載：http://ftp.gnu.org/gnu/binutils/
- 文檔：https://sourceware.org/binutils/docs-2.29/binutils/index.html
但是使用上述包里的readelf會有一個問題，上述工具是在Linux系統下使用的，而大家平常做ARM Cortex-M開發很多都是在windows平臺下，那么怎么在windows下使用readelf工具呢？別急，cygwin給了我們幫助。
2.1.2 cygwin（windows下使用GNU）
Cygwin是一個在windows平臺上運行的類UNIX模擬環境，是cygnus solutions公司（已被Redhat收購）開發的自由軟件。它對于學習UNIX/Linux操作環境，或者從UNIX到Windows的應用程序移植，尤其是使用GNU工具集在Windows上進行嵌入式系統開發，非常有用。
Installer：
http://cygwin.com/install.htmlPackage：https://cygwin.com/packages/package_list.html
// 相關工具包
binutils - GNU assembler, linker, and similar utilities
cygwin32-binutils - Binutils for Cygwin 32bit toolchain
mingw64-x86_64-binutils - Binutils for MinGW-w64 Win64 toolchain
mingw64-i686-binutils - Binutils for MinGW-w64 Win32 toolchain下載安裝好cygwin包后，便可在安裝目錄下\cygwin64\bin\找到x86_64-w64-mingw32-readelf.exe工具（痞子衡選擇的是mingw64-x86_64-binutils包）。
2.1.3 readelf.exe用法
readelf.exe遵循標準的windows命令行用法，使用--help可以列出所有命令option及其簡介，下面僅列出比較常用的option。
C:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe --help
Usage: readelf <option(s)> elf-file(s)
Display information about the contents of ELF format files
Options are:
-a --all Equivalent to: -h -l -S -s -r -d -V -A -I
-h --file-header Display the ELF file header
-l --program-headers Display the program headers
--segments An alias for --program-headers
-S --section-headers Display the sections' header
--sections An alias for --section-headers
-t --section-details Display the section details
-e --headers Equivalent to: -h -l -S
-s --syms Display the symbol table
--symbols An alias for --syms
--dyn-syms Display the dynamic symbol table
-r --relocs Display the relocations (if present)
-d --dynamic Display the dynamic section (if present)
-V --version-info Display the version sections (if present)
-A --arch-specific Display architecture specific information (if any)
-I --histogram Display histogram of bucket list lengths
@<file> Read options from <file>2.2 逐步分析elf文件
萬事俱備了，開始分析elf文件，以第三節課工程文件(.ewp)里demo工程為例。編譯鏈接該工程可在D:\myProject\bsp\builds\demo\Release\Exe路徑下得到demo.elf文件。該文件大小32612 bytes，顯然這么精簡的一個小工程image size不可能這么大，說明elf文件里的記錄信息數據占比非常大。
2.2.1 獲得file header
C:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe -h demo.elf
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: 0x41
Start of program headers: 31740 (bytes into file)
Start of section headers: 31772 (bytes into file)
Flags: 0x5000000, Version5 EABI
Size of this header: 52 (bytes)
Size of program headers: 32 (bytes)
Number of program headers: 1
Size of section headers: 40 (bytes)
Number of section headers: 21
Section header string table index: 1第一步首先分析file header，前面介紹里說過file header是放在文件最前面的。通過readelf -h命令可以獲得file header解析后的信息。讓我們來對照一下，使用HexEditor直接打開demo.elf可得到如下數據，僅取前52bytes（0x34）數據，因為Elf32_Ehdr大小就是52bytes：
offset(h)
00000000: 7F 45 4C 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00000010: 02 00 28 00 01 00 00 00 41 00 00 00 FC 7B 00 00
00000020: 1C 7C 00 00 00 00 00 05 34 00 20 00 01 00 28 00
00000030: 15 00 01 00 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --可以看到前16byte是e_ident[16]，與解析后的Magic是一致的；再來驗證prgram header偏移e_phoff=0x00007BFC，數量e_phnum=0x0001，大小e_phentsize=0x0020，也是與解析后的信息匹配的；余下可自行對照。
2.2.2 獲得program header
C:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe -l demo.elf
Elf file type is EXEC (Executable file)
Entry point 0x41
There are 1 program headers, starting at offset 31740
Program Headers:
Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flg Align
LOAD 0x000034 0x00000000 0x00000000 0x004c4 0x004c4 R E 0x100
Section to Segment mapping:
Segment Sections...
00 A0 rw P1 ro再來分析program header，通過readelf -l命令可以獲得program header解析后的信息。從上面可以得知header起始位置在demo.elf的31740 byte處（與file header里的e_phoff信息是對應的），header信息提示program data從offset 0x34開始，大小共0x4c4 bytes，Reset_Handler入口是0x41。繼續在HexEditor查看31740處開始的32byte數據，因為Elf32_Phdr大小就是32bytes：
offset(h)
00007BF0: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 01 00 00 00
00007C00: 34 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 C4 04 00 00
00007C10: C4 04 00 00 05 00 00 00 00 01 00 00 -- -- -- --可以看到p_offset=0x00000034，p_memsz=0x000004c4, 與上面解析后的信息是一致的；余下可自行對照。這里的信息就比較重要了，因為這指示了整個image binary數據所在（知道了這個信息，我們便可以直接寫腳本根據elf文件生成image binary），繼續在HexEditor里看下去（僅截取部分顯示）：
offset(h)
00000030: -- -- -- -- 00 20 00 10 41 00 00 00 03 04 00 00
00000040: 3F 04 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00000050: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00000060: 61 04 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 63 04 00 00
00000070: 65 04 00 00 72 B6 0E 48 0E 49 88 60 00 22 00 23
00000080: 00 24 00 25 00 26 00 27 B8 46 B9 46 BA 46 BB 46ARM系統的image前16個指針都是系統中斷向量，我們可以看到SP=0x10002000, PC=0x00000041，這與上面解析的Reset_Handler入口是0x41是匹配的。
2.2.3 獲得section header
c:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe -S demo.elf
There are 21 section headers, starting at offset 0x7c1c:
Section Headers:
[Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al
[ 0] NULL 00000000 006338 000000 00 0 0 4
[ 1] .shstrtab STRTAB 00000000 006338 0000e6 00 0 0 4
[ 2] .strtab STRTAB 00000000 006420 000b7c 00 0 0 4
[ 3] .symtab SYMTAB 00000000 006f9c 000c60 10 2 135 4
[ 4] A0 rw PROGBITS 00000000 000034 000040 01 AX 0 0 256
[ 5] P1 ro PROGBITS 00000040 000074 000484 01 AX 0 0 4
[ 6] P3 ui NOBITS 10000000 0004f8 002000 01 WA 0 0 8
[ 7] P2 rw NOBITS 10002000 0004f8 000438 01 WA 0 0 8
[ 8] .debug_abbrev PROGBITS 00000000 0004f8 0002c6 01 0 0 0
[ 9] .debug_aranges PROGBITS 00000000 0007c0 00016c 01 0 0 0
[10] .debug_frame PROGBITS 00000000 00092c 00057c 01 0 0 0
[11] .debug_info PROGBITS 00000000 000ea8 000e2e 01 0 0 0
[12] .debug_line PROGBITS 00000000 001cd8 000dcb 01 0 0 0
[13] .debug_loc PROGBITS 00000000 002aa4 00024c 01 0 0 0
[14] .debug_macinfo PROGBITS 00000000 002cf0 00011e 01 0 0 0
[15] .debug_pubnames PROGBITS 00000000 002e10 00012a 01 0 0 0
[16] .iar.debug_frame PROGBITS 00000000 002f3c 00007e 01 0 0 0
[17] .iar.debug_line PROGBITS 00000000 002fbc 000367 01 0 0 0
[18] .comment PROGBITS 00000000 003324 002fa2 01 0 0 0
[19] .iar.rtmodel PROGBITS 00000000 0062c8 000047 01 0 0 0
[20] .ARM.attributes ARM_ATTRIBUTES 00000000 006310 000026 01 0 0 0
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),
y (purecode), p (processor specific)再來分析section header，通過readelf -S命令可以獲得section header解析后的信息。可以看到有很多個section，其中最重要的4個section是A0(readonly vector)， P1(readonly code,data)， P2(readwrite data, heap)， P3(STACK)。具體分析，各位朋友自己試試看。
2.2.4 獲得symbol list
c:cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-readelf.exe -s demo.elf
Symbol table '.symtab' contains 198 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
74: 10002018 16 OBJECT LOCAL DEFAULT 7 s_array
75: 10002014 4 OBJECT LOCAL DEFAULT 7 s_variable0
76: 10002010 4 OBJECT LOCAL DEFAULT 7 s_variable2
135: 00000000 0 OBJECT GLOBAL DEFAULT 4 __vector_table
140: 00000041 0 FUNC GLOBAL DEFAULT 5 Reset_Handler
141: 00000098 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 5 s_constant
142: 000000ad 32 FUNC GLOBAL DEFAULT 5 main
143: 000000cd 14 FUNC GLOBAL DEFAULT 5 normal_task
144: 000000db 60 FUNC GLOBAL DEFAULT 5 heap_task
155: 0000034d 84 FUNC GLOBAL DEFAULT 5 init_data_bss
156: 000003a1 18 FUNC GLOBAL DEFAULT 5 init_interrupts
157: 000003dd 12 FUNC GLOBAL DEFAULT 5 SystemInit
186: 10002001 16 FUNC GLOBAL DEFAULT 7 ram_task
191: 10002034 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 7 n_variable1通過readelf -s命令可以獲得symbol list解析后的信息。可以看到有很多個symbol，痞子衡在這里僅列出應用工程里自定義的函數和變量，從symbol表里我們可以得知函數/變量在存儲器中具體分配地址和長度，這對于我們進一步分析和調試應用是有幫助的。
2.3 elf文件layout
經過上一節對demo.elf里各個header的分析，此時我們便可以粗略地畫出elf文件layout。
番外一、幾個elf轉換image工具
在今天的番外篇里，痞子衡給大家順便介紹幾款標準的elf文件轉換成image文件的工具。
工具1：GNU工具objcopy
位置：C:\cygwin64\bin>x86_64-w64-mingw32-objcopy.exe
用法：
objcopy.exe -O binary -S demo.elf demo.bin
objcopy.exe -O srec -S demo.elf demo.s19
備注：一說需用arm-linux-objcopy，待驗證工具2：IAR工具ielftool.exe
位置：\IAR Systems\Embedded Workbench xxx\arm\bin\ielftool.exe
用法： ielftool.exe --bin demo.elf demo.bin ielftool.exe --ihex demo.elf demo.hex ielftool.exe --srec demo.elf demo.s19至此，嵌入式開發里的executable文件(elf)文件痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~