痞子衡嵌入式：一個奇怪的Keil MDK下變量鏈接強制對齊報錯問題(--legacyalign)

痞子衡最近一直在參與恩智浦SBL項目（就是一個適用LPC和i.MXRT的完整OTA方案），這個項目近期會和大家見面，項目需要同時支持GCC, IAR, MDK三大開發環境，項目所屬i.MXRT1170工程在GCC和IAR下編譯鏈接一切正常，但是在MDK下出現了鏈接對齊報錯問題，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

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　　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下變量鏈接強制對齊報錯問題。

　　痞子衡最近一直在參與恩智浦SBL項目（就是一個適用LPC和i.MXRT的完整OTA方案），這個項目近期會和大家見面，項目需要同時支持GCC, IAR, MDK三大開發環境，項目所屬i.MXRT1170工程在GCC和IAR下編譯鏈接一切正常，但是在MDK下出現了鏈接對齊報錯問題，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，特別交待一下版本信息：

一、L6244E報錯問題

　　讓我們先看一下這是個啥問題，SBL項目源碼引入了usb stack，在usb stack源文件usb_device_ehci.c里有如下名為qh_buffer的bss型變量定義，這個變量實際長度為3KB，我們要求MDK鏈接時將其放在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項目的配套MDK鏈接文件(MIMXRT1176xxxxx_cm7_flexspi_nor.scf)，工程代碼是XIP執行的。從鏈接文件內容來看，這是一個非常普通的鏈接文件，除了為i.MXRT啟動頭(FDCB、IVT、BootData)做了一些特殊放置外，其余都是常規鏈接語句，沒有再為其他代碼或變量做特殊放置，基本就是讓鏈接器(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)
  }
  ; 放置程序代碼
  ER_m_text m_text_start FIXED m_text_size {
    * (InRoot$$Sections)
    .ANY (+RO)
  }
  ; 放置程序變量
  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、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鏈接錯誤，鏈接器說LR_m_text起始地址沒有按2KB對齊。鏈接文件里指定的LR_m_text加載區地址范圍[m_flash_config_start, m_text_start+m_text_size-m_flash_config_start]只是一個最大的RO存儲范圍，雖然m_flash_config_start等于0x30000400，但是這個起始地址是指定用于放置FDCB的，況且本文主角qh_buffer是個bss型變量（初始化值為0，不需在flash里放初值），完全不占用RO區，僅需分配RW區即可，鏈接器因為qh_buffer的對齊需求而對LR_m_text起始地址這么焦慮，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

　　既然鏈接器對LR_m_text起始地址這么焦慮，干脆不讓它焦慮好了，我們直接將起始地址設成0x30000000（FlexSPI映射起始地址），因此鏈接文件修改如下。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，對其余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
  ; 放置中斷向量表
  ; 放置程序代碼
  ; 放置程序變量
  ; 放置程序堆、棧
}

　　改完鏈接文件后重新編譯MDK工程，這次沒有鏈接錯誤了，我們打開工程映射文件(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加載空間沒有任何聯系。

==============================================================================
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 為鏈接器加--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官方文檔，找到了如下關于鏈接對齊方面的一些說明文檔：

• 關于--legacyalign, --no_legacyalign 用法解釋：https://www.keil.com/support/man/docs/armlink/armlink_pge1362075504330.htm
• Section alignment with the linker 用法規定：https://www.keil.com/support/man/docs/armclang_ref/armclang_ref_pge1362065911965.htm

　　默認情況下armlink鏈接器假設執行區和加載區是4字節對齊的，在鏈接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，鏈接器在處理填充時有兩個策略：

• 嚴苛策略--no_legacyalign（默認）：指示鏈接器插入填充以強制執行區首地址自然對齊，這里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規范。
• 寬松策略--legacyalign：指示鏈接器按最小化對齊方式來插入填充。

　　讀到這里，我們好像找到了一開始報錯的原因，就是默認的--no_legacyalign搗的鬼，鏈接器應該根據LR_m_text區首地址按qh_buffer對齊要求來填充，但實際上鏈接器卻直接撂挑子不干了，報了個錯。那我們就不讓鏈接器為難了，給它個寬松策略：

　　這樣改動之后，不需要調整鏈接文件，MDK工程也能正常編譯連接了。再來看映射文件(sbl/map)，qh_buffer鏈接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

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

　　然而我們在MDK官方文檔里看到了備注，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下變量鏈接強制對齊報錯問題痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

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