Der ELF-Header und ARM-Assembler: Was der Raspberry Pi wirklich generiert

Die Programmierung im ARM-Assembler auf dem Raspberry Pi ist für viele Embedded-Entwickler und Hobbyisten eine spannende Herausforderung. Das Schreiben eines einfachen "Hello World!" Programms in ARM-Assembly scheint auf den ersten Blick simpel, doch sobald der Assembler den Quellcode in eine Datei übersetzt, verbirgt sich hinter dem entstandenen Objektfile eine komplexe Struktur, die tiefere Einblicke in das Verständnis von Software- und Hardwareinteraktionen eröffnet. Diese Struktur wird basierend auf dem Executable and Linkable Format, kurz ELF, organisiert. Die Kenntnis über den ELF-Header und die verschiedenen Sektionen innerhalb dieser Datei ist entscheidend, um den Weg vom Assemblercode bis hin zum lauffähigen Programm zu verstehen. ELF ist ein standardisiertes Format, das für die meisten Unix-ähnlichen Betriebssysteme wie Linux Anwendung findet – und somit für den Raspberry Pi mit seiner ARM-Architektur geradezu unverzichtbar ist.

Die ELF-Datei ist nicht bloß ein reiner Binärcode, sondern enthält neben dem Programmcode auch diverse Metadaten, die den Linkern und Debuggern helfen, die Software zu laden, aufzubauen und im eventuellen Fehlerfall zu analysieren. Bereits der Beginn einer ELF-Datei offenbart sich durch die sogenannten "Magic Bytes" – eine fest vorgegebene Bytefolge, die den Typ der Datei erkenntlich macht. Bei ARM-Objektdateien finden wir im Kopf immer die Bytes 0x7f, gefolgt von den ASCII-Zeichen für 'ELF'. Diese Kennung signalisiert, dass es sich um eine ELF-Datei handelt und nicht um eine andere Art von Binärdatei. Im ausführlichen Kopfbereich, dem ELF-Header, finden sich mehrere Felder, die maßgeblich Auskunft darüber geben, wie das restliche Dateiformat zu interpretieren ist.

Darunter fallen Werte zur Maschinentypenkennung (z.B. ARM), ein Verweis auf die Version des ELF-Standards, Größenangaben für diverse Tabellen sowie Offset-Werte, die auf andere Tabellen wie die Sektionentabelle und Programmtabellen verweisen. Im Falle eines einfachen ARM-Objektfiles auf dem Raspberry Pi ist es interessant, dass oft nur eine Sektionentabelle existiert, während die Programmheader-Tabelle, die für ausführbare Programme relevant ist, leer bleibt. Die Sektionentabelle selbst besteht aus mehreren Sektionen, die unterschiedliche Rollen innerhalb der Objektdatei einnehmen.

Üblicherweise findet man eine .text-Sektion, die den eigentlichen Programmcode enthält, eine .data-Sektion für initialisierte Variablen und eine .bss-Sektion, die Platz für nicht initialisierte Variablen reserviert. Darüber hinaus existieren weitere Sektionen wie .

rel.text für Relokationen, .symtab für das Symboltableau und verschiedene Stringtabellen zur Verwaltung von Namen und Bezeichnern. Jede Sektion wird im Sektionentabelleneintrag mit zahlreichen Attributen genau definiert: Name, Größe, Offset in der Datei, Flags zur Beschreibung der Eigenschaften wie Lesbarkeit, Schreibbarkeit und Ausführbarkeit, sowie Ausrichtungsanforderungen werden hier festgelegt. Das Verstehen dieser Attribute ist essentiell, denn sie geben beispielsweise Auskunft darüber, ob eine Sektion beim Ausführen des Programms in den Speicher geladen wird, ob sie nur lesbar oder auch Ausführbar sein darf und ob sie spezielle Ausrichtungsrestriktionen hat.

Die .text-Sektion ist die zentralste Sektion, denn sie beinhaltet den Maschinenkode. Hier befinden sich die binär codierten ARM-Befehle, die der Prozessor ausführt. Im Kontext der im Raspberry Pi erzeugten Objektdatei zeigt sich, dass diese Sektion sowohl als SHF_ALLOC als auch SHF_EXECINSTR gekennzeichnet ist. Das bedeutet, dass sie im Speicher zur Ausführung allokiert wird.

Die genaue Größe und der Offset geben Auskunft darüber, wo der Code im Objektfile zu finden ist und wie viel Speicher dafür reserviert wird. Ein tiefgehendes Verständnis erlangt man zudem, wenn man die Relokations-Sektion betrachtet, in unserem Beispiel die .rel.text-Sektion. Diese beinhaltet Anweisungen darüber, wie beim Linken Adressen und Symbole angepasst werden müssen, damit das Programm korrekt ausgeführt wird.

Relokationen sind nötig, weil Maschinenbefehle häufig auf Speicheradressen verweisen, die erst während des Linkprozesses endgültig bestimmt werden können. Auf dem Raspberry Pi, einer ARM-basierten Plattform, sind die Relokationen leicht anders gestaltet als beispielsweise auf x86-Systemen, da die Architektur abweichende Befehlsformate und Adressierungsmodi nutzt. Die Symboltabelle .symtab ist ebenfalls ein wichtiger Bestandteil der ELF-Datei. Sie verwaltet alle im Programm genutzten Symbole wie Funktionen, Variablen oder Absprunghilfen.

Das erleichtert sowohl das Linken als auch Debugging, da Symbole oft mit menschenlesbaren Namen versehen sind und nicht nur durch reine Adressen identifiziert werden. Die zugehörige Stringtabelle .strtab hält die tatsächlichen Namen der Symbole in Form eines durch Nullterminatoren getrennten Strings an festgelegten Offsets. Eine weitere Stringtabelle, meist als .shstrtab bezeichnet, speichert die Namen der einzelnen Sektionen.

Die Indizes in der Sektionentabelle verweisen auf die entsprechenden Positionen in dieser Tabelle, um den Sektionen ihre Namen zuzuordnen. Die Betrachtung einer per Hexdump dargestellten erzeugten ELF-Datei offenbart die rohe, binäre Form all dieser Informationen. Das manuelle Interpretieren dieser Daten verdeutlicht, wie der Assembler die Strukturen nicht nur für die Ausführung, sondern auch für nachgelagerte Prozesse wie das Linken und Debuggen vorbereitet. Für Entwickler ist dies von großer Bedeutung, um etwa Fehler bei der Verlinkung zu erkennen oder zu verstehen, wie Platzbedarf für Variablen und Code organisiert ist. Von großer Hilfe bei der Analyse einer erzeugten ELF-Datei auf dem Raspberry Pi ist das weit verbreitete Tool readelf.

Es ermöglicht, sämtliche ELF-Kopfzeilen, Sektionstabellen und Symboltabellen menschenlesbar darzustellen. Die bereits manuell erarbeiteten Interpretationen werden dadurch bestätigt und auf praktische Weise nachvollziehbar gemacht. Gerade der Blick auf die Flags, die Sektionstypen und die Größe der einzelnen Bestandteile führt zu einem besseren Verständnis, wie der ARM-Assembler das Objektfile erzeugt und was dies für den weiteren Kompilier- und Linkprozess bedeutet. Auch wenn man in der Anfangsphase des Studiums von ARM-Assembly möglicherweise noch nicht alle Details der ELF-Formatierung verinnerlicht hat, ist es lohnend, sich zumindest mit den grundlegenden Konzepten von Sektionen, Headern und symbolischen Verweisen vertraut zu machen. Langfristig eröffnet diese Kenntnis die Tür zu fortgeschrittenem Debugging, gezieltem Optimieren von Speicherlayouts und einem tieferen Einblick in die Funktionsweise von Compilern und Linkern.