gcc - 真正最小的STM32应用:链接器故障

Question

我正在构建一个只有微不足道的微型微控制器，用于自学。这样，我可以刷新有关链接描述文件，启动代码等主题的知识。



编辑：
我有很多评论指出，下面显示的“绝对最小的STM32应用程序”是不好的。当注意到向量表不完整，.bss部分未处理，外围地址不完整时，您是完全正确的，请允许我解释原因。


在此特定章节中编写完整而有用的应用程序从来不是作者的目的。他的目的是逐步解释链接描述文件的工作方式，启动代码的工作方式，STM32的启动过程是什么样的……纯粹出于教育目的。我很欣赏这种方法，并且学到了很多东西。
我在下面给出的示例取自相关章节的中间。本章将继续在链接器脚本和启动代码（例如.bss-节的初始化）中添加更多部分。
之所以将文件放在他本章的中间，是因为我陷入了特定的错误消息中。我想先解决此问题，然后再继续。
有问题的章节在他书的结尾。它是为那些经验丰富或好奇的读者准备的，他们希望获得有关大多数人甚至不考虑的主题的更深入的知识（大多数人使用制造商提供的标准链接描述文件和启动代码，而不用阅读它们）。


请记住，请让我们专注于手头的技术问题（如以下错误消息中所述）。也请接受我没有早点澄清作者意图的真诚道歉。但是我现在已经完成了，所以我们可以继续;-)





1.绝对最小的STM32应用

我要学习的教程是本书的第20章：“精通STM32”（https://leanpub.com/mastering-stm32）。本书介绍了如何使用两个文件（main.c和linkerscript.ld）制作微型微控制器应用程序。由于我没有使用IDE（例如Eclipse），因此我还添加了build.bat和clean.bat来生成编译命令。所以我的项目文件夹如下所示：



在继续之前，我可能应该提供有关系统的更多详细信息：


作业系统：Windows 10，64-bit
微控制器：带有STM32F401RE微控制器的NUCLEO-F401RE板。
编译器：arm-none-eabi-gcc版本6.3.1 20170620（发行版）[ARM /嵌入式6分支修订版249437]。


主文件如下所示：

/* ------------------------------------------------------------ */
/*                     Minimal application                      */
/*                      for NUCLEO-F401RE                       */
/* ------------------------------------------------------------ */
typedef unsigned long uint32_t;

/* Memory and peripheral start addresses (common to all STM32 MCUs) */
#define FLASH_BASE      0x08000000
#define SRAM_BASE       0x20000000
#define PERIPH_BASE     0x40000000

/* Work out end of RAM address as initial stack pointer
 * (specific of a given STM32 MCU) */
#define SRAM_SIZE       96*1024 //STM32F401RE has 96 KB of RAM
#define SRAM_END        (SRAM_BASE + SRAM_SIZE)

/* RCC peripheral addresses applicable to GPIOA
 * (specific of a given STM32 MCU) */
#define RCC_BASE        (PERIPH_BASE + 0x23800)
#define RCC_APB1ENR     ((uint32_t*)(RCC_BASE + 0x30))

/* GPIOA peripheral addresses
 * (specific of a given STM32 MCU) */
#define GPIOA_BASE      (PERIPH_BASE + 0x20000)
#define GPIOA_MODER     ((uint32_t*)(GPIOA_BASE + 0x00))
#define GPIOA_ODR       ((uint32_t*)(GPIOA_BASE + 0x14))

/* Function headers */
int main(void);
void delay(uint32_t count);

/* Minimal vector table */
uint32_t *vector_table[] __attribute__((section(".isr_vector"))) = {
    (uint32_t*)SRAM_END,    // initial stack pointer (MSP)
    (uint32_t*)main         // main as Reset_Handler
};

/* Main function */
int main() {
    /* Enable clock on GPIOA peripheral */
    *RCC_APB1ENR = 0x1;

    /* Configure the PA5 as output pull-up */
    *GPIOA_MODER |= 0x400;  // Sets MODER[11:10] = 0x1

    while(1) {    // Always true
        *GPIOA_ODR = 0x20;
        delay(200000);
        *GPIOA_ODR = 0x0;
        delay(200000);
    }
}

void delay(uint32_t count) {
    while(count--);
}

链接描述文件如下所示：

/* ------------------------------------------------------------ */
/*                        Linkerscript                          */
/*                      for NUCLEO-F401RE                       */
/* ------------------------------------------------------------ */

/* Memory layout for STM32F401RE */
MEMORY
{
    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 512K
    SRAM (xrw) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 96K
}

/* The ENTRY(..) directive overrides the default entry point symbol _start.
 * Here we define the main-routine as the entry point.
 * In fact, the ENTRY(..) directive is meaningless for embedded chips,
 * but it is informative for debuggers. */
ENTRY(main)

SECTIONS
{
    /* Program code into FLASH */
    .text : ALIGN(4)
    {
        *(.isr_vector)          /* Vector table */
        *(.text)                /* Program code */
        *(.text*)               /* Merge all .text.* sections inside the .text section */
        KEEP(*(.isr_vector))    /* Don't allow other tools to strip this off */
    } >FLASH


    _sidata = LOADADDR(.data);  /* Used by startup code to initialize data */

    .data : ALIGN(4)
    {
        . = ALIGN(4);
        _sdata = .;             /* Create a global symbol at data start */

        *(.data)
        *(.data*)

        . = ALIGN(4);
        _edata = .;             /* Define a global symbol at data end */
    } >SRAM AT >FLASH

}

build.bat文件在main.c上调用编译器，然后在链接器上调用：

@echo off
setlocal EnableDelayedExpansion

echo.
echo ----------------------------------------------------------------
echo.             )\     ***************************
echo.   ( =_=_=_=^<  ^|    * build NUCLEO-F401RE     *     
echo.             )(     ***************************
echo.             ""                        
echo.                                       
echo.
echo.   Call the compiler on main.c
echo.
@arm-none-eabi-gcc main.c -o main.o -c -MMD -mcpu=cortex-m4 -mthumb -mfloat-abi=hard -mfpu=fpv4-sp-d16 -O0 -g3 -Wall -fmessage-length=0 -Werror-implicit-function-declaration -Wno-comment -Wno-unused-function -ffunction-sections -fdata-sections
echo.
echo.   Call the linker
echo.
@arm-none-eabi-gcc main.o -o myApp.elf -mcpu=cortex-m4 -mthumb -mfloat-abi=hard -mfpu=fpv4-sp-d16 -specs=nosys.specs -specs=nano.specs -T linkerscript.ld -Wl,-Map=output.map -Wl,--gc-sections
echo.
echo.   Post build
echo.
@arm-none-eabi-objcopy -O binary myApp.elf myApp.bin
arm-none-eabi-size myApp.elf
echo.
echo ----------------------------------------------------------------

clean.bat文件删除所有编译器输出：

@echo off
setlocal EnableDelayedExpansion

echo ----------------------------------------------------------------
echo.        __         **************    
echo.      __\ \___     *   clean    *    
echo.      \ _ _ _ \    **************    
echo.       \_`_`_`_\                     
echo.                                     
del /f /q main.o
del /f /q main.d
del /f /q myApp.bin
del /f /q myApp.elf
del /f /q output.map
echo ----------------------------------------------------------------

建立这个作品。我得到以下输出：

C:\Users\Kristof\myProject>build

----------------------------------------------------------------
             )\     ***************************
   ( =_=_=_=<  |    * build NUCLEO-F401RE     *
             )(     ***************************
             ""


   Call the compiler on main.c


   Call the linker


   Post build

   text    data     bss     dec     hex filename
    112       0       0     112      70 myApp.elf

----------------------------------------------------------------

2.正确的启动代码

也许您已经注意到，最小的应用程序没有适当的启动代码来初始化.data节中的全局变量。第20.2.2章.data和.bss“ Mastering STM32”一书中的初始化部分介绍了如何执行此操作。

随着我的前进，我的 main.c文件现在看起来像这样：

/* ------------------------------------------------------------ */
/*                     Minimal application                      */
/*                      for NUCLEO-F401RE                       */
/* ------------------------------------------------------------ */
typedef unsigned long uint32_t;

/* Memory and peripheral start addresses (common to all STM32 MCUs) */
#define FLASH_BASE      0x08000000
#define SRAM_BASE       0x20000000
#define PERIPH_BASE     0x40000000

/* Work out end of RAM address as initial stack pointer
 * (specific of a given STM32 MCU) */
#define SRAM_SIZE       96*1024 //STM32F401RE has 96 KB of RAM
#define SRAM_END        (SRAM_BASE + SRAM_SIZE)

/* RCC peripheral addresses applicable to GPIOA
 * (specific of a given STM32 MCU) */
#define RCC_BASE        (PERIPH_BASE + 0x23800)
#define RCC_APB1ENR     ((uint32_t*)(RCC_BASE + 0x30))

/* GPIOA peripheral addresses
 * (specific of a given STM32 MCU) */
#define GPIOA_BASE      (PERIPH_BASE + 0x20000)
#define GPIOA_MODER     ((uint32_t*)(GPIOA_BASE + 0x00))
#define GPIOA_ODR       ((uint32_t*)(GPIOA_BASE + 0x14))

/* Function headers */
void __initialize_data(uint32_t*, uint32_t*, uint32_t*);
void _start (void);
int main(void);
void delay(uint32_t count);

/* Minimal vector table */
uint32_t *vector_table[] __attribute__((section(".isr_vector"))) = {
    (uint32_t*)SRAM_END,    // initial stack pointer (MSP)
    (uint32_t*)_start       // _start as Reset_Handler
};

/* Variables defined in linkerscript */
extern uint32_t _sidata;
extern uint32_t _sdata;
extern uint32_t _edata;

volatile uint32_t dataVar = 0x3f;

/* Data initialization */
inline void __initialize_data(uint32_t* flash_begin, uint32_t* data_begin, uint32_t* data_end) {
    uint32_t *p = data_begin;
    while(p < data_end)
        *p++ = *flash_begin++;
}

/* Entry point */
void __attribute__((noreturn,weak)) _start (void) {
    __initialize_data(&_sidata, &_sdata, &_edata);
    main();

    for(;;);
}

/* Main function */
int main() {
    /* Enable clock on GPIOA peripheral */
    *RCC_APB1ENR = 0x1;

    /* Configure the PA5 as output pull-up */
    *GPIOA_MODER |= 0x400;  // Sets MODER[11:10] = 0x1

    while(dataVar == 0x3f) {    // Always true
        *GPIOA_ODR = 0x20;
        delay(200000);
        *GPIOA_ODR = 0x0;
        delay(200000);
    }
}

void delay(uint32_t count) {
    while(count--);
}

我在 main(..)函数上方添加了初始化代码。链接描述文件也进行了一些修改：

/* ------------------------------------------------------------ */
/*                        Linkerscript                          */
/*                      for NUCLEO-F401RE                       */
/* ------------------------------------------------------------ */

/* Memory layout for STM32F401RE */
MEMORY
{
    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 512K
    SRAM (xrw) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 96K
}

/* The ENTRY(..) directive overrides the default entry point symbol _start.
 * In fact, the ENTRY(..) directive is meaningless for embedded chips,
 * but it is informative for debuggers. */
ENTRY(_start)

SECTIONS
{
    /* Program code into FLASH */
    .text : ALIGN(4)
    {
        *(.isr_vector)          /* Vector table */
        *(.text)                /* Program code */
        *(.text*)               /* Merge all .text.* sections inside the .text section */
        KEEP(*(.isr_vector))    /* Don't allow other tools to strip this off */
    } >FLASH


    _sidata = LOADADDR(.data);  /* Used by startup code to initialize data */

    .data : ALIGN(4)
    {
        . = ALIGN(4);
        _sdata = .;             /* Create a global symbol at data start */

        *(.data)
        *(.data*)

        . = ALIGN(4);
        _edata = .;             /* Define a global symbol at data end */
    } >SRAM AT >FLASH

}

这个小应用程序不再编译了。实际上，从 main.c到 main.o的编译仍然可以。但是链接过程陷入困境：

C:\Users\Kristof\myProject>build

----------------------------------------------------------------
             )\     ***************************
   ( =_=_=_=<  |    * build NUCLEO-F401RE     *
             )(     ***************************
             ""


   Call the compiler on main.c


   Call the linker

c:/gnu_arm_embedded_toolchain/bin/../lib/gcc/arm-none-eabi/6.3.1/../../../../arm-none-eabi/lib/thumb/v7e-m/fpv4-sp/hard/crt0.o: In function `_start':
(.text+0x64): undefined reference to `__bss_start__'
c:/gnu_arm_embedded_toolchain/bin/../lib/gcc/arm-none-eabi/6.3.1/../../../../arm-none-eabi/lib/thumb/v7e-m/fpv4-sp/hard/crt0.o: In function `_start':
(.text+0x68): undefined reference to `__bss_end__'
collect2.exe: error: ld returned 1 exit status

   Post build

arm-none-eabi-objcopy: 'myApp.elf': No such file
arm-none-eabi-size: 'myApp.elf': No such file

----------------------------------------------------------------

3.我尝试过的

我已经省略了这部分，否则这个问题太长了；-)



4.解决方案

@berendi提供了解决方案。谢谢@berendi！显然我需要将标志 -nostdlib和 -ffreestanding添加到gcc和链接器。 build.bat文件现在如下所示：

@echo off
setlocal EnableDelayedExpansion

echo.
echo ----------------------------------------------------------------
echo.             )\     ***************************
echo.   ( =_=_=_=^<  ^|    * build NUCLEO-F401RE     *     
echo.             )(     ***************************
echo.             ""                        
echo.                                       
echo.
echo.   Call the compiler on main.c
echo.
@arm-none-eabi-gcc main.c -o main.o -c -MMD -mcpu=cortex-m4 -mthumb -mfloat-abi=hard -mfpu=fpv4-sp-d16 -O0 -g3 -Wall -fmessage-length=0 -Werror-implicit-function-declaration -Wno-comment -Wno-unused-function -ffunction-sections -fdata-sections -ffreestanding -nostdlib
echo.
echo.   Call the linker
echo.
@arm-none-eabi-gcc main.o -o myApp.elf -mcpu=cortex-m4 -mthumb -mfloat-abi=hard -mfpu=fpv4-sp-d16 -specs=nosys.specs -specs=nano.specs -T linkerscript.ld -Wl,-Map=output.map -Wl,--gc-sections -ffreestanding -nostdlib
echo.
echo.   Post build
echo.
@arm-none-eabi-objcopy -O binary myApp.elf myApp.bin
arm-none-eabi-size myApp.elf
echo.
echo ----------------------------------------------------------------

现在可以了！
在他的答案中，@ berendi还给出了有关 main.c文件的一些有趣的评论。我已经应用了大多数：


缺少 volatile关键字
空循环
缺少内存屏障（我是否将内存屏障放置在正确的位置？）
启用RCC后缺少延迟
误导的符号名称（显然它应该是 RCC_AHB1ENR而不是 RCC_APB1ENR）。
向量表：这部分我已跳过。现在我真的不需要 HardFault_Handler， MemManage_Handler ...了，因为这只是出于教育目的的微小测试。
但是，我确实注意到@berendi在声明向量表的方式上做了一些有趣的修改。但是我并没有完全掌握他在做什么。


main.c文件现在如下所示：

/* ------------------------------------------------------------ */
/*                     Minimal application                      */
/*                      for NUCLEO-F401RE                       */
/* ------------------------------------------------------------ */
typedef unsigned long uint32_t;

/**
  \brief   Data Synchronization Barrier
  \details Acts as a special kind of Data Memory Barrier.
           It completes when all explicit memory accesses before this instruction complete.
 */
__attribute__((always_inline)) static inline void __DSB(void)
{
  __asm volatile ("dsb 0xF":::"memory");
}


/* Memory and peripheral start addresses (common to all STM32 MCUs) */
#define FLASH_BASE      0x08000000
#define SRAM_BASE       0x20000000
#define PERIPH_BASE     0x40000000

/* Work out end of RAM address as initial stack pointer
 * (specific of a given STM32 MCU) */
#define SRAM_SIZE       96*1024 //STM32F401RE has 96 KB of RAM
#define SRAM_END        (SRAM_BASE + SRAM_SIZE)

/* RCC peripheral addresses applicable to GPIOA
 * (specific of a given STM32 MCU) */
#define RCC_BASE        (PERIPH_BASE + 0x23800)
#define RCC_AHB1ENR     ((volatile uint32_t*)(RCC_BASE + 0x30))

/* GPIOA peripheral addresses
 * (specific of a given STM32 MCU) */
#define GPIOA_BASE      (PERIPH_BASE + 0x20000)
#define GPIOA_MODER     ((volatile uint32_t*)(GPIOA_BASE + 0x00))
#define GPIOA_ODR       ((volatile uint32_t*)(GPIOA_BASE + 0x14))

/* Function headers */
void __initialize_data(uint32_t*, uint32_t*, uint32_t*);
void _start (void);
int main(void);
void delay(uint32_t count);

/* Minimal vector table */
uint32_t *vector_table[] __attribute__((section(".isr_vector"))) = {
    (uint32_t*)SRAM_END,    // initial stack pointer (MSP)
    (uint32_t*)_start       // _start as Reset_Handler
};

/* Variables defined in linkerscript */
extern uint32_t _sidata;
extern uint32_t _sdata;
extern uint32_t _edata;

volatile uint32_t dataVar = 0x3f;

/* Data initialization */
inline void __initialize_data(uint32_t* flash_begin, uint32_t* data_begin, uint32_t* data_end) {
    uint32_t *p = data_begin;
    while(p < data_end)
        *p++ = *flash_begin++;
}

/* Entry point */
void __attribute__((noreturn,weak)) _start (void) {
    __initialize_data(&_sidata, &_sdata, &_edata);
    asm volatile("":::"memory"); // <- Did I put this instruction at the right spot?
    main();

    for(;;);
}

/* Main function */
int main() {
    /* Enable clock on GPIOA peripheral */
    *RCC_AHB1ENR = 0x1;
    __DSB();

    /* Configure the PA5 as output pull-up */
    *GPIOA_MODER |= 0x400;  // Sets MODER[11:10] = 0x1

    while(dataVar == 0x3f) {    // Always true
        *GPIOA_ODR = 0x20;
        delay(200000);
        *GPIOA_ODR = 0x0;
        delay(200000);
    }
}

void delay(uint32_t count) {
    while(count--){
        asm volatile("");
    }
}

PS：Carmine Noviello的《 Mastering STM32》一书是绝对的杰作。您应该阅读它！ => https://leanpub.com/mastering-stm32

Answer 1

您可以告诉gcc不要使用该库。
编译器
默认情况下，gcc假定您使用的是标准C库，并且可以发出调用某些函数的代码。例如，启用优化后，它会检测到复制内存的循环，并可以用对memcpy()的调用来代替它们。用-ffreestanding禁用它。
链接器
链接器还假定您要链接程序与C库和启动代码。库启动代码负责初始化库和程序执行环境。它具有一个名为_start()的函数，必须在重置后调用它。其功能之一是用零填充.bss段（见下文）。如果未定义分隔.bss的符号，则无法链接_startup()。如果您将启动函数命名为_startup()以外的任何其他名称，则链接器会将库启动作为未使用的函数悄无声息地删除，并且可以链接代码。
您可以告诉链接器不要将任何标准库或启动代码与-nostdlib链接，那么库提供的启动函数名称将不会与您的库冲突，并且每次意外调用库函数时，您都会收到链接器错误。
缺少volatile
您的寄存器定义缺少volatile限定符。没有它，随后对*GPIOA_ODR的写入将被优化。编译器会将这个“不变代码”移出循环。将寄存器定义中的类型更改为(volatile uint32_t*)将解决此问题。
空循环
优化器可以识别出延迟循环没有任何作用，并完全消除了延迟循环以加快执行速度。在延迟循环中添加一个空但不可移动的asm volatile("");指令。
缺少内存屏障
您正在初始化在C函数中保存.data的dataVar部分。 *p中的__initialize_data()实际上是dataVar的别名，并且编译器无法知道它。从理论上讲，优化器可以在dataVar之前重新安排__initialize_data()的测试。即使dataVar是volatile，也不是*p，因此不能保证排序。
数据初始化循环之后，应告诉编译器程序变量是由编译器未知的机制更改的：

asm volatile("":::"memory");

这是一个老式的gcc扩展，最新的C标准可能已定义了一种可移植的方法（较早的gcc版本无法识别）。
启用RCC后缺少延迟
勘误说

为了管理外设对寄存器的读/写操作，应考虑RCC外设时钟使能和有效外设使能之间的延迟。
此延迟取决于外围设备映射：
•如果外围设备映射在AHB上：延迟应等于2个AHB周期。
•如果外围设备映射在APB上，则延迟应等于1 +（AHB / APB预分频器）周期。
解决方法

使用DSB指令来停止Cortex®-M4CPU管道，直到该指令完成。


因此，请插入

__DSB();

在 *RCC_APB1ENR = 0x1;之后（应称为其他名称）
误导的符号名称
尽管在 GPIOA中启用 RCC的地址似乎正确，但该寄存器在文档中称为 RCC_AHB1ENR。这会使试图理解您的代码的人感到困惑。
向量表
尽管从技术上讲，您只需要拥有堆栈堆栈器和重置处理程序就可以摆脱困境，但我还是建议您多添加一些条目，至少是故障处理程序，以便进行简单的故障排除。

__attribute__ ((section(".isr_vector"),used))
void (* const _vectors[]) (void) = {
          (void (*const)(void))(&__stack),
  Reset_Handler,
  NMI_Handler,
  HardFault_Handler,
  MemManage_Handler,
  BusFault_Handler,
  UsageFault_Handler
}

链接描述文件
它至少必须为向量表和代码定义一个部分。程序必须有一个起始地址和一些代码，静态数据是可选的。其余的取决于程序正在使用哪种数据。如果没有特定类型的数据，则可以从链接器脚本中技术上省略它们。

.rodata：只读数据， const数组和结构在此处。它们保持闪烁状态。 （简单的 const变量通常放在代码中）
.data：初始化变量，您声明的所有带有 =符号且没有 const的变量。
.bss：应在C中进行零初始化的变量，即全局变量和 static变量。

由于您现在不需要 .rodata或 .bss，所以很好。