内存管理01——链接脚本

新年的第一篇博文，先祝我工作顺利，万事如意！祝福大家的话就不赘述了。
在开始操作系统的内存管理相关内容前，首先来关注链接脚本，因为动态内存即堆区的地址是在链接脚本中分配的，知道了堆的起始地址和长度才能进行内存的分配和管理。

1. 链接脚本的作用是什么？

链接的作用就是把编译生成的多个目标文件（.o）合并起来，生成最后的可执行文件（.elf）。如上图中间的就是.o目标文件，最右的则是链接生成的.elf文件。除此之外，链接脚本还关注一个问题，就是生成的各个段被加载在内存的什么位置。
举个例子很容易就明白，下面是一个RISC-V代码的链接脚本：

OUTPUT_ARCH( "riscv" )	/* 代码采用的是RISC-V架构*/
ENTRY( _start )		/*代码入口符号是_start，就是汇编启动函数的符号*/
MEMORY
{
	/* 定义了一段起始地址为0x80000000，长度为128MB的内存区域，取名叫ram*/
	ram   (wxa!ri) : ORIGIN = 0x80000000, LENGTH = 128M
}
SECTIONS
{
	/* 所有输入文件中的.text段、.text.*段都合在一起，组成输出elf文件中的.text段；
	* 此外，定义了两个符号_text_start和_text_end ，注意符号'.'代表的是当前地址；
	* 生成的.text段被放在了ram这个内存区域中。
	*/
	.text : {
		PROVIDE(_text_start = .);
		*(.text .text.*)
		PROVIDE(_text_end = .);
	} >ram

	.rodata : {
		PROVIDE(_rodata_start = .);
		*(.rodata .rodata.*)
		PROVIDE(_rodata_end = .);
	} >ram

	.data : {
		. = ALIGN(4096);
		PROVIDE(_data_start = .);
		*(.sdata .sdata.*)
		*(.data .data.*)
		PROVIDE(_data_end = .);
	} >ram

	.bss :{
		PROVIDE(_bss_start = .);
		*(.sbss .sbss.*)
		*(.bss .bss.*)
		*(COMMON)
		PROVIDE(_bss_end = .);
	} >ram
	PROVIDE(_memory_start = ORIGIN(ram));
	PROVIDE(_memory_end = ORIGIN(ram) + LENGTH(ram));
	PROVIDE(_heap_start = _bss_end);
	PROVIDE(_heap_size = _memory_end - _heap_start);
}

从上面这个简单的链接脚本中可以看出，MEMORY语法和SECTIONS语法是链接脚本里最关键的两个。该链接脚本依次将.text、.rodata、.data等段按顺序放在了ram内存区域内。并通过定义_heap_start和_heap_size把分配以后剩下的全部空间都分给了堆区（该例子中没有给栈分配空间，因为栈也可以start.S中分配在代码空间里，就是上面的.text空间里包含了）。
表面上看，我们的问题解决了，堆的起始地址和长度都知道了，但是问题出现了，在链接脚本中定义的符号可以在C代码中直接使用吗？请看第二小节。

2. 在C语言中使用链接脚本中定义的符号

符号就是名字，变量名和函数名都是符号。在目标文件中有一个专门的"符号表"段用来放符号。比如我们定义一个全局变量：
int g_foo = 100; 显然在data段会有四字节的空间存放100这个值，假设是0x00001000~0x00001003这四个字节。而g_foo这个符号或者说变量名字，则跟0x00001000这个地址一起存放在符号表里。

typedef struct
{
	Elf32_Word  st_name;          /* Symbol name (string tbl index) */字符串表中的字节偏移，指向符号的以null结尾的字符串名称。
	Elf32_Addr   st_value;           /* Symbol value */符号的地址，是距定义目标的节的起始位置的偏移，对于可执行目标文件来说，该值是一个绝对运行时地址。
	Elf32_Word  st_size;             /* Symbol size */对象的长度，例如一个指针的长度或struct中包含的字节数，如果长度未知，其值可以设置为0。
	unsigned char      st_info;     /* Symbol type and binding */ 一个符号的确切用途由st_info定义，它分为两部分。
	unsigned char      st_other;          /* Symbol visibility */未使用
	Elf32_Section       st_shndx;        /* Section index */保存一个节的索引（在节头表中），符号将绑定到该节，该符号通常定义在此节的代码中。
} Elf32_Sym;

符号的结构体定义如上所示。对于上述g_foo这个变量来说，其符号结构体中st_name间接表示"g_foo"这个字符串，st_value值就是0x00001000，st_size代表的则是4。在C语言中，当我们使用&g_foo就可以得到g_foo变量的地址，即st_value。
但是，在链接脚本中定义的符号与变量不同，链接脚本中的符号我们可以认为就是一个地址的别名，目标文件中不会为这个符号开辟存储空间。举个例子,一个符号_heap_start = 0x00002000，其符号结构体中，st_value值就是0x00002000。当我们在C语言中想使用_heap_start，可以通过下面程序实现：

extern int _heap_start ;
int val = &_heap_start ;

val的值就是0x00002000。
顺着思路继续，我们可以在汇编代码中定义一个真正的变量，其值等于符号值，这样在C语言中使用的时候就不用取地址来用了。
在汇编中写下面的代码，.word即为HEAP_START开辟一个word大小的内存空间，值为_heap_start：

.global HEAP_START
HEAP_START: .word _heap_start

然后，就可以在C语言中做extern声明后直接使用HEAP_START，其值就是0x00002000。
参考：https://blog.youkuaiyun.com/dropping_1979/article/details/42555349

3. 利用链接脚本把变量指定存放的物理位置

MEMORY
{undefined
   ps7_ddr_0_S_AXI_BASEADDR : ORIGIN = 0x00100000, LENGTH = 0x3FF00000
   ps7_ram_0_S_AXI_BASEADDR : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 0x00030000
   ps7_ram_1_S_AXI_BASEADDR : ORIGIN = 0xFFFF0000, LENGTH = 0x0000FE00
   ps7_ddr_0_A_AXI_MATRIX  : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 0x100000
}
.matirx : {undefined
   __matrix_start = .;
   *(.matrix)
   *(.matrix.*)
   __matrix_end = .;
} > ps7_ddr_0_A_AXI_MATRIX
_end = .;
}

首先在链接脚本中定义一段单独的内存区域和单独的section。
然后在C语言编程时，采用下面语句指定全局变量的存储位置就好了。在Xilinx SDK编程中亲测可用。

int matrix[16][16384] __attribute__((section(".matrix")));