ただのリンカを書いた話.pdf

マイコン向けの
ただのリンカを書いてみた話
@simotin13

Who am I?
Hiroyuki Miyazaki
@simotin13
・関西で主に組込系のコード書いてます。
・Ruby,組込,低レイヤが好きです。

Abstract～発表の概要～
・なぜマイコン向けのリンカ？
・簡単なところから始めてみた
・Rubyで実装してみた
ルネサスRXマイコン向けのリンカを書いてみました
Github https://github.com/simotin13/rb_linker
→複数のオブジェクトファイルをリンクして、ターゲットボードでLチカできた!

Why RX linker？
・マイコンを使った製品開発の仕事をしているにも関わらず、
ライセンスを購入して貰えない…
■問題
仕事で使っている商用開発環境(CS+)のライセンスが足りない・・・
「１ライセンス用意してやる。あとは何とかしろ！」

Why RX linker？
・とりあえずその辺のPCに無償評価版入れて使い倒し
・最後はライセンスの使用権をめぐる争いに…
→作業効率悪くてストレスたまる！
ライセンスが足りてないと何が起こるか？

Why RX linker？
どうやって解決するか？

Why RX linker？
「ライセンスが足りないならフローティングライ
センスを買えばいいじゃない」
「ライセンスが足りないならクラッキングすれば
いいじゃない」
一般的な解決方法

Why RX linker？
[CS+ FAQページ] https://ja-support.renesas.com/knowledgeBase/17796817
無償評価版の機能制限について

Why RX linker？
[CS+ FAQページ] https://ja-support.renesas.com/knowledgeBase/17796817
無償評価版の機能制限について
コンパイラは無償で提供するけど、リンカ使いたけれ
ば金払えよ！

Why RX linker？
ライセンスが足りないならリンカを
書けばいいじゃない！
・コンパイルは無償評価版がやってくれる
→リンカを書けば無償評価版定額使い放題！
ただのリンカ＝タダ(無料)のリンカ
an ordinary linker = a free linker

spec
諸々の仕様について
アーキテクチャ RX(32bit CISC)
バイナリフォーマット ELF(32bit 再配置可能オブジェクトファイル)
ターゲットボード GR-SAKURA
デバッガ・エミュレータ E1
入力 .clnkファイル
(コマンドラインオプションとリンカスクリプトを混ぜたようなテキスト
ファイル)
出力 ELF(32bit 実行形式)

What is linker? ～リンカ何するものぞ？～
ELF header
.text
.bss
.shstrtab
Section
Headers
hoge.o foo.o
ELF Header
.text
.bss
.shstrtab
Section
Headers
Program
Header
ELF Header
Section
Headers
注:セクション名はCPUやコンパイラによって異なります

Incremental development ～簡単なものから作る～
ELF header
.text
.bss
.shstrtab
Section
Headers
hoge.o
Program
Header
ELF Header
Section
Headers
まずは1ファイルを「リンク」してみる。
リンク＝プログラムヘッダの追加とELFヘッダの更新。
プログラムヘッダが入る分、諸々のオフセット位置の値が変わってくる。

#include "iodefine.h"
#pragma section ResetPRG
#pragma entry PowerON_Reset_PC
void PowerON_Reset_PC(void) {
int i = 0;
unsigned char reg;
PORTA.PDR.BIT.B0 = 1;
while(1){
if (i % 1000 == 0) {
reg = PORTA.PODR.BIT.B0;
PORTA.PODR.BIT.B0 = ~reg;
i = 0;
}
i++;
}
}
#pragma section C FIXEDVECT
const void (*const func)(void)= PowerON_Reset_PC;
ソースファイル resetprg.c
例外ベクタテーブルの登録
セクション設定(CS+)
ループとカウントによるLチカ!
セクションの割り当ては開発環境(CS+)で
行う。
ここで設定した値が.clnkファイルによりリ
ンカに渡される。

int i = 0;
unsigned char reg;
while(1){
if (i % 1000 == 0) {
i = 0;
}
i++;
}
}
ソースファイル resetprg.c
例外ベクタテーブルの登録
セクション設定(CS+)
ループとカウントによるLチカ!
セクションの割り当ては開発環境(CS+)で
行う。
ここで設定した値が.clnkファイルによりリ
ンカに渡される。
・スタックポインタ初期化していない
→ローカル変数使えない・関数呼べない
int i も unsigned char regも汎用レジスタへの割り当てを期待

$cat sakura2.clnk
-input=DefaultBuild¥resetprg.obj
-noprelink
-nodebug
-output=DefaultBuild¥sakura2.abs
-nooptimize
-start=PResetPRG/0FFF00000,FIXEDVECT/FFFFFFFC
-nologo-exit
入力となる .clnkファイル
リンクするオブジェクトファイル
出力するファイル名
セクション設定

$ readelf resetprg.obj –S
There are 9 section headers, starting at offset 0x377:
Section Headers:
[Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al
[ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0
[ 1] $iop LOUSER+0 00000000 000034 0001ad 00 0 0 1
[ 2] .shstrtab STRTAB 00000000 0001e1 000052 00 0 0 1
[ 3] .symtab SYMTAB 00000000 000233 000060 10 4 4 4
[ 4] .strtab STRTAB 00000000 000293 00008a 00 0 0 1
[ 5] PResetPRG PROGBITS 00000000 00031d 000032 00 AX 0 0 1
[ 6] FIXEDVECT PROGBITS 00000000 000367 000004 00 A 0 0 4
[ 7] .relaPResetPRG RELA 00000000 00034f 000018 0c 3 5 4
[ 8] .relaFIXEDVECT RELA 00000000 00036b 00000c 0c 3 6 4
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),
p (processor specific)
オブジェクトファイルのセクション情報を眺めてみる

$ readelf resetprg.obj -S
There are 9 section headers, starting at offset 0x377:
Section Headers:
[Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al
[ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0
[ 1] $iop LOUSER+0 00000000 000034 0001ad 00 0 0 1
[ 2] .shstrtab STRTAB 00000000 0001e1 000052 00 0 0 1
[ 3] .symtab SYMTAB 00000000 000233 000060 10 4 4 4
[ 4] .strtab STRTAB 00000000 000293 00008a 00 0 0 1
[ 5] PResetPRG PROGBITS 00000000 00031d 000032 00 AX 0 0 1
[ 6] FIXEDVECT PROGBITS 00000000 000367 000004 00 A 0 0 4
[ 7] .relaPResetPRG RELA 00000000 00034f 000018 0c 3 5 4
[ 8] .relaFIXEDVECT RELA 00000000 00036b 00000c 0c 3 6 4
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),
p (processor specific)
オブジェクトファイルのセクション情報を眺めてみる
えっ！？リロケーション発生してるし！
なんで！？

$ readelf resetprg.obj -r
Relocation section '.relaPResetPRG' at offset 0x34f contains 2 entries:
Offset Info Type Sym.Value Sym. Name + Addend
00000019 0000020b R_RX_DIR8S_PCREL 00000000 PResetPRG + 2e
00000031 0000020b R_RX_DIR8S_PCREL 00000000 PResetPRG + a
Relocation section '.relaFIXEDVECT' at offset 0x36b contains 1 entries:
00000000 00000401 R_RX_DIR32 00000000 _PowerON_Reset_PC + 0
オブジェクトファイルのリロケーション情報を眺めてみる

$ readelf resetprg.obj -r
ベクタテーブルに配置したパワーオンリ
セット用関数のアドレスを探してる・・・
まぁそりゃそうか。
@.relaFIXEDVECT
どこにPC飛ばしていいかわからんか
ら教えてやで。

$ readelf resetprg.obj –r
こいつら何言ってるのかわからん・・
逆アセみるか…
@.relaPResetPRG
PResetPRGが#(0aっfa!~!>7で19と31
がR_RX”a<*%&~！）やで。

$ rx-elf-objdump.exe resetprg.obj -S
00000000 <_PowerON_Reset_PC>:
0: fb ee 0a c0 08 mov.l #0x8c00a, r14
5: f0 e0 bset #0, [r14].b
7: 75 4f fe mov.l #254, r15
a: ef 54 mov.l r5, r4
c: fd 78 84 e8 03 div #0x3e8, r4
11: 76 14 e8 03 mul #0x3e8, r4
15: ff 04 45 sub r4, r5, r4
18: 21 00 bne.b 18 <_PowerON_Reset_PC+0x18>
1a: 59 e5 20 movu.b 32[r14], r5
1d: ef f4 mov.l r15, r4
1f: 51 e4 20 and 32[r14].ub, r4
22: 64 15 and #1, r5
24: 57 54 or r5, r4
26: fd e0 f4 bnot #0, r4
29: c7 e4 20 mov.b r4, 32[r14]
2c: 66 05 mov.l #0, r5
2e: 62 15 add #1, r5
30: 2e 00 bra.b 30 <_PowerON_Reset_PC+0x30>

0: fb ee 0a c0 08 mov.l #0x8c00a, r14
5: f0 e0 bset #0, [r14].b
7: 75 4f fe mov.l #254, r15
c: fd 78 84 e8 03 div #0x3e8, r4
11: 76 14 e8 03 mul #0x3e8, r4
15: ff 04 45 sub r4, r5, r4
1a: 59 e5 20 movu.b 32[r14], r5
1f: 51 e4 20 and 32[r14].ub, r4
22: 64 15 and #1, r5
24: 57 54 or r5, r4
26: fd e0 f4 bnot #0, r4
29: c7 e4 20 mov.b r4, 32[r14]
2c: 66 05 mov.l #0, r5
2e: 62 15 add #1, r5
@18: 21 00
if (i % 1000 == 0)
→else側の分岐先がわからんやで。
@30: 2e 00
while(1){ …}
→ループの最後まで行ったら何して
いいかわからんやで。

0: fb ee 0a c0 08 mov.l #0x8c00a, r14
5: f0 e0 bset #0, [r14].b
7: 75 4f fe mov.l #254, r15
c: fd 78 84 e8 03 div #0x3e8, r4
11: 76 14 e8 03 mul #0x3e8, r4
15: ff 04 45 sub r4, r5, r4
1a: 59 e5 20 movu.b 32[r14], r5
1f: 51 e4 20 and 32[r14].ub, r4
22: 64 15 and #1, r5
24: 57 54 or r5, r4
26: fd e0 f4 bnot #0, r4
29: c7 e4 20 mov.b r4, 32[r14]
2c: 66 05 mov.l #0, r5
2e: 62 15 add #1, r5
int i = 0;
unsigned char reg;
while(1){
if (i % 1000 == 0) {
i = 0;
}
i++;
}
}
リロケーション値＝0x2E – 0x18=0x16
リロケーション値＝0x0A – 0x30=0xDA

0: fb ee 0a c0 08 mov.l #0x8c00a, r14
5: f0 e0 bset #0, [r14].b
7: 75 4f fe mov.l #254, r15
c: fd 78 84 e8 03 div #0x3e8, r4
11: 76 14 e8 03 mul #0x3e8, r4
15: ff 04 45 sub r4, r5, r4
1a: 59 e5 20 movu.b 32[r14], r5
1f: 51 e4 20 and 32[r14].ub, r4
22: 64 15 and #1, r5
24: 57 54 or r5, r4
26: fd e0 f4 bnot #0, r4
29: c7 e4 20 mov.b r4, 32[r14]
2c: 66 05 mov.l #0, r5
2e: 62 15 add #1, r5
int i = 0;
unsigned char reg;
while(1){
if (i % 1000 == 0) {
i = 0;
}
i++;
}
}
リロケーション値＝0x2E – 0x18=0x16
リロケーション値＝0x0A – 0x30=0xDA
うんうん、機械語出力してみないことには分岐先ア
ドレスは決まらないしこれは仕方がな・・・ってこれ
は仕方なくないわ！
お前らローカルスコープのくせにリンカ頼ってんじゃ
ねぞゴラァ！

Don’t think,Feel.～考えるな、感じろ！～
・Rel(a)セクションはコンパイラが一人でどうすることもで
きなかった悩みをお前に託した独白録だ！
考えるな！
コンパイラのお気持ちになれ！
感じろ！
リロケーションについて一言

リンカをRubyで書いた理由
手っ取り早くスクリプト言語で書きたい！
やる気ないけど、進捗はほしい！
低レイヤやりたいけど
Ｃ・Ｃ++は書きたくない

Rubyで書いた結果
・Rubyにはバイト型がないので低レイヤに向かない。
→バイナリ触りたければ String#unpack,Array#packを使う必要があるが、モンキーパッチで取り繕えばあ
まり気にならない。1ファイルのリンクまではとりあえずRubyのみで書けた。
・2ファイルのリンクに取り組み始めて、様子がおかしくなり始めた。
→複数ファイルをリンクする場合、オフセット位置やインデックスなど諸々の値を本格的に書き換える必
要があるが、RubyからELFの構造体(Elf32_Sym, Elf32_Rel…etc)のメンバーを気軽に書き換えられない。
・仕方がないので、 Elf32_Sym, Elf32_Rel構造体を操作するクラスをC言語で拡張モジュールとして実装す
る。構造体をラップするRubyの拡張モジュールを書くのは割と簡単。
→Cで書いたクラスもRubyで書いたクラスも同じクラスになるので便利。
結論
Rubyの方が得意な部分(文字列処理・ハッシュ)はRubyで書けたので悪くはないと思うが、バイト列が扱
いにくいのは何ともできなかった。→ByteArrayみたいなクラスを自作して今後の低レイヤ開発のツールと
したい。

まとめ
・デバッグ情報のリンク
→リンクはできてプログラムは動いているけどデバッグシンボルが入ったセクションのリンクを試してい
ない。デバッグできなければ実用性は低いので取り込みたい。
・他のＣＰＵ・OSのリンカも書いてみたい
RXで実用性のめどがついたらRL78とかARMにも移植して、自作の無料リンカで無双したい。
OS(Unix,Linux系)ありのリンカも書いてみたいけど、ハードルが急激に高くなる(libc,ld.so,plt/got…etc)の
が辛い・・・
→難易度という意味ではマイコン向けのリンカ自作はリンカを書くよい練習になると思うのでおススメ！
エミュレータの値段も個人で手に入るような価格になってきているので是非！

References ～参考文献など～
■参考文献
・リンカ・ローダ実践開発テクニック
・RXマイコンのすべて基礎編
■マニュアル
・RXマイコンソフトウェアマニュアル( r01us0032jj0120_rxsm.pdf)
■拡張モジュールの作り方
https://ruby-doc.org/core-2.3.0/doc/extension_ja_rdoc.html
http://ruby.gfd-dennou.org/tutorial/ruby-ext/

ご清聴ありがとうございました。
ご意見・ご質問がありましたらお気軽にどうぞ。
¥(^o^)¥

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