痞子衡嵌入式:一个奇怪的Keil MDK下变量链接强制对齐报错问题(--legacyalign)

2020-12-01

  大家好,我是痞子衡,是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家分享的是一个奇怪的Keil MDK下变量链接强制对齐报错问题

  痞子衡最近一直在参与恩智浦SBL项目(就是一个适用LPC和i.MXRT的完整OTA方案),这个项目近期会和大家见面,项目需要同时支持GCC, IAR, MDK三大开发环境,项目所属i.MXRT1170工程在GCC和IAR下编译链接一切正常,但是在MDK下出现了链接对齐报错问题,痞子衡花时间研究解决了这个问题,这个问题算是和MDK工具本身紧紧相关,痞子衡觉得挺有意思(其实主要是想吐槽MDK),特分享给大家。

  也许问题和MDK版本有关,在分析问题前,特别交待一下版本信息:

一、L6244E报错问题

  让我们先看一下这是个啥问题,SBL项目源码引入了usb stack,在usb stack源文件usb_device_ehci.c里有如下名为qh_buffer的bss型变量定义,这个变量实际长度为3KB,我们要求MDK链接时将其放在2KB对齐的地址。

#define USB_DEVICE_CONFIG_EHCI      (2)
#define USB_DEVICE_CONFIG_ENDPOINTS (8U)

__attribute__((aligned(2048)))
static uint8_t qh_buffer[(USB_DEVICE_CONFIG_EHCI - 1) * 2048 + USB_DEVICE_CONFIG_ENDPOINTS * 2 * sizeof(usb_device_ehci_qh_struct_t)];

  如下是SBL项目的配套MDK链接文件(MIMXRT1176xxxxx_cm7_flexspi_nor.scf),工程代码是XIP执行的。从链接文件内容来看,这是一个非常普通的链接文件,除了为i.MXRT启动头(FDCB、IVT、BootData)做了一些特殊放置外,其余都是常规链接语句,没有再为其他代码或变量做特殊放置,基本就是让链接器(armlink)自由发挥。

#define m_flash_config_start           0x30000400
#define m_flash_config_size            0x00000C00

#define m_ivt_start                    0x30001000
#define m_ivt_size                     0x00001000

#define m_interrupts_start             0x30002000
#define m_interrupts_size              0x00000400

#define m_text_start                   0x30002400
#define m_text_size                    0x00FBDC00

#define m_data_start                   0x20000000
#define m_data_size                    0x00040000

#define Stack_Size                     0x0400
#define Heap_Size                      0x0400

LR_m_text m_flash_config_start m_text_start+m_text_size-m_flash_config_start {
  ; 放置FDCB(i.MXRT特色)
  RW_m_config_text m_flash_config_start FIXED m_flash_config_size {
    * (.boot_hdr.conf, +FIRST)
  }
  ; 放置IVT, BootData(i.MXRT特色)
  RW_m_ivt_text m_ivt_start FIXED m_ivt_size {
    * (.boot_hdr.ivt, +FIRST)
    * (.boot_hdr.boot_data)
  }
  ; 放置中断向量表
  VECTOR_ROM m_interrupts_start FIXED m_interrupts_size {
    * (.isr_vector,+FIRST)
  }
  ; 放置程序代码
  ER_m_text m_text_start FIXED m_text_size {
    * (InRoot$$Sections)
    .ANY (+RO)
  }
  ; 放置程序变量
  RW_m_data m_data_start m_data_size-Stack_Size-Heap_Size {
    .ANY (+RW +ZI)
    * (RamFunction)
    * (NonCacheable.init)
    * (*NonCacheable)
  }
 ; 放置程序堆、栈
  ARM_LIB_HEAP +0 EMPTY Heap_Size { }
  ARM_LIB_STACK m_data_start+m_data_size EMPTY -Stack_Size { }
}

  编译工程得到一个如下图所示奇怪链接错误,链接器说LR_m_text起始地址没有按2KB对齐。链接文件里指定的LR_m_text加载区地址范围[m_flash_config_start, m_text_start+m_text_size-m_flash_config_start]只是一个最大的RO存储范围,虽然m_flash_config_start等于0x30000400,但是这个起始地址是指定用于放置FDCB的,况且本文主角qh_buffer是个bss型变量(初始化值为0,不需在flash里放初值),完全不占用RO区,仅需分配RW区即可,链接器因为qh_buffer的对齐需求而对LR_m_text起始地址这么焦虑,实在让人费解。

二、尝试解决报错问题

2.1 调整LR_m_text起始地址

  既然链接器对LR_m_text起始地址这么焦虑,干脆不让它焦虑好了,我们直接将起始地址设成0x30000000(FlexSPI映射起始地址),因此链接文件修改如下。注:因为几个i.MXRT启动头的段都是固定地址放置的,所以起始地址的改动对他们没有影响,对其余未指定地址放置的段更没有影响。

#define m_flash_start                  0x30000000
#define m_flash_size                   0x00FC0000

#define m_flash_config_start           0x30000400
#define m_flash_config_size            0x00000C00

LR_m_text m_flash_start m_flash_size { ;改动在这里!!!
  ; 放置FDCB
  RW_m_config_text m_flash_config_start FIXED m_flash_config_size {
    * (.boot_hdr.conf, +FIRST)
  }
  ; 放置IVT, BootData
  ; 放置中断向量表
  ; 放置程序代码
  ; 放置程序变量
  ; 放置程序堆、栈
}

  改完链接文件后重新编译MDK工程,这次没有链接错误了,我们打开工程映射文件(sbl.map),找出其中跟qh_buffer相关的内容,可以看到qh_buffer被放置在了0x20004800处,这个地址确实是2KB对齐的,但这是RW区,其实跟我们设定/改动的LR_m_text加载空间没有任何联系。

==============================================================================
Image Symbol Table
    Local Symbols
    Symbol Name                              Value     Ov Type        Size  Object(Section)
    qh_buffer                                0x20004800   Data        3072  usb_device_ehci.o(.bss.qh_buffer)
    [Anonymous Symbol]                       0x20004800   Section        0  usb_device_ehci.o(.bss.qh_buffer)

==============================================================================

Memory Map of the image
  Image Entry point : 0x30002401
  Load Region LR_m_text (Base: 0x30000000, Size: 0x00011800, Max: 0x00fc0000, ABSOLUTE, COMPRESSED[0x00011518])

    Execution Region RW_m_data (Exec base: 0x20000000, Load base: 0x30010000, Size: 0x00005ed8, Max: 0x0003f800, ABSOLUTE, COMPRESSED[0x00000800])

    Exec Addr    Load Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object
    0x20004800        -       0x00000c00   Zero   RW         2164    .bss.qh_buffer      usb_device_ehci.o
2.2 为链接器加--legacyalign选项

  上一节的方法虽然解决了问题,但是解决方案没有说服力,仅仅是个替代方案。为此痞子衡翻看了MDK官方文档,找到了如下关于链接对齐方面的一些说明文档:

  默认情况下armlink链接器假设执行区和加载区是4字节对齐的,在链接分配时需要插入一些填充空间来满足区内段的特殊对齐需求,链接器在处理填充时有两个策略:

  • 严苛策略--no_legacyalign(默认):指示链接器插入填充以强制执行区首地址自然对齐,这里的自然对齐是该区域内已知的最大对齐。这个选项可以确保严格符合ELF规范。
  • 宽松策略--legacyalign:指示链接器按最小化对齐方式来插入填充。

  读到这里,我们好像找到了一开始报错的原因,就是默认的--no_legacyalign捣的鬼,链接器应该根据LR_m_text区首地址按qh_buffer对齐要求来填充,但实际上链接器却直接撂挑子不干了,报了个错。那我们就不让链接器为难了,给它个宽松策略:

  这样改动之后,不需要调整链接文件,MDK工程也能正常编译连接了。再来看映射文件(sbl/map),qh_buffer链接地址相比前一个方案发生了变化,从0x20004800移到了0x20004000,但依然满足2KB对齐的。

==============================================================================
Image Symbol Table
    Local Symbols
    Symbol Name                              Value     Ov Type        Size  Object(Section)
    qh_buffer                                0x20004000   Data        3072  usb_device_ehci.o(.bss.qh_buffer)
    [Anonymous Symbol]                       0x20004000   Section        0  usb_device_ehci.o(.bss.qh_buffer)

==============================================================================

Memory Map of the image
  Image Entry point : 0x30002401
  Load Region LR_m_text (Base: 0x30000400, Size: 0x00010944, Max: 0x00fbfc00, ABSOLUTE, COMPRESSED[0x00010408])

    Execution Region RW_m_data (Exec base: 0x20000000, Load base: 0x3000f944, Size: 0x000056d8, Max: 0x0003f800, ABSOLUTE, COMPRESSED[0x000001ac])

    Exec Addr    Load Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object
    0x20004000        -       0x00000c00   Zero   RW         2164    .bss.qh_buffer      usb_device_ehci.o

  最后再提一个MDK自相矛盾的地方,我们加了--legacyalign选项后编译给了个如下警告,说--legacyalign选项不推荐使用。

  然而我们在MDK官方文档里看到了备注,说的是armlink v6.6版本以上不推荐加--no_legacyalign选项,那痞子衡正在使用的armlink v6.14版本应该是建议使用--legacyalign选项的,但是为何给警告呢?MDK啊,想说爱你不容易!

  至此,一个奇怪的Keil MDK下变量链接强制对齐报错问题痞子衡便介绍完毕了,掌声在哪里~~~

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