单片机编程中的可执行文件链接

在最开始人们编写程序时，都将所有的代码都写在同一个源文件中，经过长期的积累，程序可能包含了N多行的代码，程序员维护起来非常困难。迫切地希望将程序源代码分散到多个文件中，一个文件一个模块，能够更好地阅读和维护程序，这个时候，链接器就闪亮登场了。

我们知道，数据是保存在存储器中的，对于单片机来说，必须知道这些数据的地址才能使用。变量名、函数名等仅仅是地址的一种代名词儿，旨在编程时更加方便地使用数据，当源文件被编译成可执行文件后，这些标识符都不存在了，它们都被替换成了数据的地址。

任何程序的执行，最终都要依靠计算机硬件来完成，单片机是大规模集成电路，它只认识高低两个电平（电压），假设高电平为 3.3V，用1表示，低电平为 0V，用0表示。也就是说，在单片机底层，只有 0 和 1 两个二进制数字，这就是机器语言。

使用机器语言编程，十分繁琐又耗时，并且很容易出错。如果程序包含了多个源文件，就很可能会有跨文件的跳转、在程序拥有多个模块时会导致更加严重的问题。于是大神们发明了汇编语言，这相比机器语言来说是个很大的进步。汇编语言使用接近人类的各种标号来帮助记忆，比如用jmp表示跳转指令，用func表示一个子程序（C语言中的函数就是一个子程序）的起始地址，标号的方法使得人们从具体的机器指令和二进制地址中解放出来。标号这个概念随着汇编语言的普及被广泛接受，它用来表示一个地址，这个地址可能是一段子程序的起始地址，也可以是一个变量的地址。

随着软件规模的日渐庞大，代码量开始疯长，汇编语言的缺点逐渐暴露出来。汇编虽然提供了多种标号，但它依然非常接近计算机硬件，程序员要考虑很多细节问题和边界问题，而且不利于模块化开发，所以后来人们发明了C语言。C语言是比汇编更加高级的编程语言，极大地提高了开发效率，以加法为例，C语言只需要一条语句，汇编却需要四五条。

单片机编程中，程序员通过会把很多功能分散到成许多个模块中。这些模块之间相互依赖又相互独立，原则上每个模块都可以单独开发、编译、测试，改变一个模块中的代码不需要编译整个程序。在程序被分隔成多个模块后，需要解决的一个重要问题是如何将这些模块组合成一个单一的可执行程序。在C语言中，模块之间的依赖关系主要有两种：一种是模块间的函数调用，另外一种是模块间的变量访问。函数调用需要知道函数的首地址，变量访问需要知道变量的地址，所以这两种方式可以归结为一种，那就是模块间的符号引用。这种通过符号将多个模块拼接为一个独立的可执行程序的过程就叫做链接（Linking）。

在一个STM32项目中，代码被分为多个文件时，链接器可以链接ARM代码、Thumb代码、Thumb-2 代码，并自动生成交互操作中间代码，以便在需要时切换处理器状态。链接器还可以在需要时自动生成内联中间代码或长跳转中间代码，以扩展跳转指令的范围。

链接器还可以生成关于链接文件的调试和引用信息、生成静态调用图并列出堆栈的使用情况、控制输出映像中符号表的内容、显示输出中代码和数据的大小。链接器针对下一次文件编译提供反馈信息，提示编译器有关未使用函数的情况。可以根据提示在后续编译中将未使用的函数放置在各自的节中，以便链接器将来删除这些函数。

使用链接器构建可执行映像时，链接器将解析输入对象文件之间的符号引用，从库中提取对象模块来满足还未满足的符号引用的需要，根据属性和名称排序输入节，并将属性和名称相似的节合并为相邻块，删除未使用节，删除重复的公共组和公共代码、数据及调试节，根据提供的分组和布局信息将对象片段组织为内存区，给可重定位值分配地址，最终生成可执行映像。

责任编辑：haq