ELF
今天要來實作ELF Loader，那什麼是ELF呢，我們又為什麼要做ELF Loader呢?
ELF指的是可執行與可鏈結格式(Executable and Linkable Format)，是一種常見的二進制文件格式，用於在Linux和Unix等作業系統中存儲可執行程序、共享庫（動態連結庫）和核心轉儲文件。ELF 格式是這些作業系統上的主要可執行文件格式，它提供了一個標準的結構，用於將代碼和數據組織成一個可執行的程序或共享庫。

簡單來說，所謂的ELF就是在Unix的世界中，我們Windows所常見的OOO.exe這種檔案類型。那為什麼我們要實作ELF Loader的答案也呼之欲出-我們要讓模擬器具備直接開啟ELF，執行的能力。

我們今天就是要來實作這個功能。

ELF Loader

那具體而言要怎麼實做呢，我們將處理器要執行一個程式需要的資料分為指令(instruction)以及資料(Data);以指令來說，處理器來在執行的時候會有Program Counter(PC)，PC的位置即為我們所要執行的指令所在的記憶體位置。而以資料來說，我們通常是透過跟記憶體相關的指令，例如Load, Store來讀取，而讀取時我們也會知道其所在的記憶體位置。結合上面兩點，我們可以得知無論是指令還是資料，我們只要把它放到記憶體就好了。

那我們如果要這麼做，是直接fopen(elf)之後將他放進一個記憶體空間這麼簡單嗎? 答案是否定的，ELF本身除了指令及資料以外，還包含了給Linker等工具的資訊 (如下圖，只有Loadable的部分是我們需要的)，而這些資訊實際上是處理器所不需要的，因此我們要有能力區分，僅將我們需要的資料放到記憶體中。(非常推薦閱讀"程式設計師的自我修養"，對於ELF的理解有很大的幫助)

圖源

ELF Loader 實作

首先我們根據TDD的原理，我們要先寫一個測試。測試的輸入為一個elf file的路徑，而輸出為該file的entry point (第一道指令位置)。

要怎麼知道該elf的entry point為誰呢，我們可以透過readelf來看，

riscv64-unknown-elf-readelf -a HelloWorld.elf  > HelloWorld.readelf

以我產生的HelloWorld為例，我們看到entry point為0x10116，如下圖。

因此我們的Test內容如下

TEST(MyTestSuite, ELFLoaderTest) {
    const char* test = "test.elf";
    ALISS::loadElf(test);
    EXPECT_EQ(ALISS::pc, 0x10116);
}

當loadELF執行完後，我們應該將PC位置設定為0x10116，而EXPECT_EQ就是會去測兩者輸入是否相等，而目前測試結果當然是錯誤，在這邊就不呈現。

接下來我們來實作loadElf的第一個功能，讀Entry point，程式碼如下:

#include <elf.h>

void ALISS::loadElf(const char* filename)
{
    // ELF loader function
    std::ifstream file(filename, std::ios::binary);
    if (!file) {
        std::cerr << "Failed to open file: " << filename << std::endl;
        return;
    }
    // Read the ELF header
    Elf64_Ehdr elfHeader;
    file.read(reinterpret_cast<char*>(&elfHeader), sizeof(Elf64_Ehdr));
    // Check ELF magic number
    if (memcmp(elfHeader.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) != 0) {
        std::cerr << "Not a valid ELF file: " << filename << std::endl;
        return;
    }
    // Check ELF class (32-bit or 64-bit)
    if (elfHeader.e_ident[EI_CLASS] != ELFCLASS64) {
        std::cerr << "Only 64-bit ELF files are supported: " << filename << std::endl;
        return;
    }
    // Check ELF data encoding (little-endian or big-endian)
    if (elfHeader.e_ident[EI_DATA] != ELFDATA2LSB) {
        std::cerr << "Only little-endian ELF files are supported: " << filename << std::endl;
        return;
    }
    // Get the entry point address
    Elf64_Addr entryPoint = elfHeader.e_entry;
    ALISS::pc = entryPoint;
    
    // Add more code here to load and work with program segments, sections, etc.
    file.close();
	return;
}

這段code會先檢查magic number (判斷是否是ELF file)，判斷格式後將pc讀出來，由於我們使用elf.h，entry point的位置就在elfHeader.e_entry，非常容易得到。

實現後再重新進行測試，確認測試通過，送出。

碎碎念 : 今天大概介紹 elf file是什麼，並套用elf.h得到了entry point，明天來將Loadable的部分取出來。