痞子衡嵌入式：一個奇怪的Keil MDK下變數連結強制對齊報錯問題(--legacyalign)

痞子衡發表於2020-12-01
變數

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是一個奇怪的Keil MDK下變數連結強制對齊報錯問題。

　　痞子衡最近一直在參與恩智浦SBL專案（就是一個適用LPC和i.MXRT的完整OTA方案），這個專案近期會和大家見面，專案需要同時支援GCC, IAR, MDK三大開發環境，專案所屬i.MXRT1170工程在GCC和IAR下編譯連結一切正常，但是在MDK下出現了連結對齊報錯問題，痞子衡花時間研究解決了這個問題，這個問題算是和MDK工具本身緊緊相關，痞子衡覺得挺有意思(其實主要是想吐槽MDK)，特分享給大家。

　　也許問題和MDK版本有關，在分析問題前，特別交待一下版本資訊：

一、L6244E報錯問題

　　讓我們先看一下這是個啥問題，SBL專案原始碼引入了usb stack，在usb stack原始檔usb_device_ehci.c裡有如下名為qh_buffer的bss型變數定義，這個變數實際長度為3KB，我們要求MDK連結時將其放在2KB對齊的地址。

#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專案的配套MDK連結檔案(MIMXRT1176xxxxx_cm7_flexspi_nor.scf)，工程程式碼是XIP執行的。從連結檔案內容來看，這是一個非常普通的連結檔案，除了為i.MXRT啟動頭(FDCB、IVT、BootData)做了一些特殊放置外，其餘都是常規連結語句，沒有再為其他程式碼或變數做特殊放置，基本就是讓連結器(armlink)自由發揮。

#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)
  }
  ; 放置中斷向量表
  VECTOR_ROM m_interrupts_start FIXED m_interrupts_size {
    * (.isr_vector,+FIRST)
  }
  ; 放置程式程式碼
  ER_m_text m_text_start FIXED m_text_size {
    * (InRoot$$Sections)
    .ANY (+RO)
  }
  ; 放置程式變數
  RW_m_data m_data_start m_data_size-Stack_Size-Heap_Size {
    .ANY (+RW +ZI)
    * (RamFunction)
    * (NonCacheable.init)
    * (*NonCacheable)
  }
 ; 放置程式堆、棧
  ARM_LIB_HEAP +0 EMPTY Heap_Size { }
  ARM_LIB_STACK m_data_start+m_data_size EMPTY -Stack_Size { }
}

　　編譯工程得到一個如下圖所示奇怪連結錯誤，連結器說LR_m_text起始地址沒有按2KB對齊。連結檔案裡指定的LR_m_text載入區地址範圍[m_flash_config_start, m_text_start+m_text_size-m_flash_config_start]只是一個最大的RO儲存範圍，雖然m_flash_config_start等於0x30000400，但是這個起始地址是指定用於放置FDCB的，況且本文主角qh_buffer是個bss型變數（初始化值為0，不需在flash裡放初值），完全不佔用RO區，僅需分配RW區即可，連結器因為qh_buffer的對齊需求而對LR_m_text起始地址這麼焦慮，實在讓人費解。

二、嘗試解決報錯問題

2.1 調整LR_m_text起始地址

　　既然連結器對LR_m_text起始地址這麼焦慮，乾脆不讓它焦慮好了，我們直接將起始地址設成0x30000000（FlexSPI對映起始地址），因此連結檔案修改如下。注：因為幾個i.MXRT啟動頭的段都是固定地址放置的，所以起始地址的改動對他們沒有影響，對其餘未指定地址放置的段更沒有影響。

#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 { ;改動在這裡！！！
  ; 放置FDCB
  RW_m_config_text m_flash_config_start FIXED m_flash_config_size {
    * (.boot_hdr.conf, +FIRST)
  }
  ; 放置IVT, BootData
  ; 放置中斷向量表
  ; 放置程式程式碼
  ; 放置程式變數
  ; 放置程式堆、棧
}

　　改完連結檔案後重新編譯MDK工程，這次沒有連結錯誤了，我們開啟工程對映檔案(sbl.map)，找出其中跟qh_buffer相關的內容，可以看到qh_buffer被放置在了0x20004800處，這個地址確實是2KB對齊的，但這是RW區，其實跟我們設定/改動的LR_m_text載入空間沒有任何聯絡。

==============================================================================
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 為連結器加--legacyalign選項

　　上一節的方法雖然解決了問題，但是解決方案沒有說服力，僅僅是個替代方案。為此痞子衡翻看了MDK官方文件，找到了如下關於連結對齊方面的一些說明文件：

　　預設情況下armlink連結器假設執行區和載入區是4位元組對齊的，在連結分配時需要插入一些填充空間來滿足區內段的特殊對齊需求，連結器在處理填充時有兩個策略：

  • 嚴苛策略--no_legacyalign（預設）：指示連結器插入填充以強制執行區首地址自然對齊，這裡的自然對齊是該區域內已知的最大對齊。這個選項可以確保嚴格符合ELF規範。
  • 寬鬆策略--legacyalign：指示連結器按最小化對齊方式來插入填充。

　　讀到這裡，我們好像找到了一開始報錯的原因，就是預設的--no_legacyalign搗的鬼，連結器應該根據LR_m_text區首地址按qh_buffer對齊要求來填充，但實際上鍊接器卻直接撂挑子不幹了，報了個錯。那我們就不讓連結器為難了，給它個寬鬆策略：

　　這樣改動之後，不需要調整連結檔案，MDK工程也能正常編譯連線了。再來看對映檔案(sbl/map)，qh_buffer連結地址相比前一個方案發生了變化，從0x20004800移到了0x20004000，但依然滿足2KB對齊的。

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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)

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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

　　最後再提一個MDK自相矛盾的地方，我們加了--legacyalign選項後編譯給了個如下警告，說--legacyalign選項不推薦使用。

　　然而我們在MDK官方文件裡看到了備註，說的是armlink v6.6版本以上不推薦加--no_legacyalign選項，那痞子衡正在使用的armlink v6.14版本應該是建議使用--legacyalign選項的，但是為何給警告呢？MDK啊，想說愛你不容易！

　　至此，一個奇怪的Keil MDK下變數連結強制對齊報錯問題痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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