链接脚本生成机制

[English]

概述

用于存放代码和数据的 :ref:` 内存区域 <memory-layout>`有多个。代码和只读数据默认存放在 flash 中,可写数据存放在 RAM 中。不过有时,我们必须更改默认存放区域,例如为了提高性能,将关键代码存放到 RAM 中,或者将代码存放到 RTC 存储器中以便在 唤醒桩ULP 协处理器 中使用。

链接脚本生成机制可以让用户指定代码和数据在 ESP-IDF 组件中的存放区域。组件包含如何存放符号、目标或完整库的信息。在构建应用程序时,组件中的这些信息会被收集、解析并处理;生成的存放规则用于链接应用程序。

快速上手

本段将指导如何使用 ESP-IDF 的即用方案,快速将代码和数据放入 RAM 和 RTC 存储器中。

假设我们有:

- components/
                - my_component/
                                - CMakeLists.txt
                                - component.mk
                                - Kconfig
                                - src/
                                      - my_src1.c
                                      - my_src2.c
                                      - my_src3.c
                                - my_linker_fragment_file.lf
  • 名为 my_component 的组件,在构建过程中存储为 libmy_component.a 库文件

  • 库文件包含的三个源文件:my_src1.cmy_src2.cmy_src3.c,编译后分别为 my_src1.omy_src2.omy_src3.o,

  • my_src1.o 定义的 my_function1 功能;在 my_src2.o 定义的 my_function2 功能

  • 存储在 my_component 下 Kconfig 中的布尔类型配置 PERFORMANCE_MODE (y/n) 和整数类型配置 PERFORMANCE_LEVEL (范围是 0-3)

创建和指定链接片段文件

首先,我们需要创建链接片段文件。链接片段文件是一个拓展名为 .lf 的文本文件,文件内写有想要存放的位置。文件创建成功后,需要将其呈现在构建系统中。ESP-IDF 支持的构建系统指南如下:

Make

在组件目录的 component.mk 文件中设置 COMPONENT_ADD_LDFRAGMENTS 变量的值,使其指向已创建的链接片段文件。路径可以为绝对路径,也可以为组件目录的相对路径。

COMPONENT_ADD_LDFRAGMENTS += my_linker_fragment_file.lf

CMake

在组件目录的 CMakeLists.txt 文件中,指定 idf_component_register 调用引数 LDFRAGMENTS 的值。LDFRAGMENTS 可以为绝对路径,也可为组件目录的相对路径,指向刚才创建的链接片段文件。

# 相对于组件的 CMakeLists.txt 的文件路径
idf_component_register(...
                       LDFRAGMENTS "path/to/linker_fragment_file.lf" "path/to/another_linker_fragment_file.lf"
                       ...
                       )

指定存放区域

可以按照下列粒度指定存放区域:

  • 目标文件(.obj.o 文件)

  • 符号(函数/变量)

  • 库(.a 文件)

存放目标文件

假设整个 my_src1.o 目标文件对性能至关重要,所以最好把该文件放在 RAM 中。另外,my_src2.o 目标文件包含从深度睡眠唤醒所需的符号,因此需要将其存放到 RTC 存储器中。 在链接片段文件中可以写入以下内容:

[mapping:my_component]
archive: libmy_component.a
entries:
    my_src1 (noflash)     # 将所有 my_src1 代码和只读数据存放在 IRAM 和 DRAM 中
    my_src2 (rtc)         # 将所有 my_src2 代码、数据和只读数据存放到 RTC 快速 RAM 和 RTC 慢速 RAM 中

那么 my_src3.o 放在哪里呢?由于未指定存放区域,my_src3.o 会存放到默认区域。更多关于默认存放区域的信息,请查看 这里

存放符号

继续上文的例子,假设 object1.o 目标文件定义的功能中,只有 function1 影响到性能;object2.o 目标文件中只有 function2 需要在芯片从深度睡眠中唤醒后运行。可以在链接片段文件中写入以下内容实现:

[mapping:my_component]
archive: libmy_component.a
entries:
    my_src1:my_function1 (noflash)
    my_src2:my_function2 (rtc)

my_src1.omy_src2.o 中的其他函数以及整个 object3.o 目标文件会存放到默认区域。 要指定数据的存放区域,仅需将上文的函数名替换为变量名即可,如:

my_src1:my_variable (noflash)

注意

按照符号粒度存放代码和数据有一定的 局限。为确保存放区域合适,您也可以将相关代码和数据集中在源文件中,参考 使用目标文件的存放规则

存放整个库

在这个例子中,假设整个组件库都需存放到 RAM 中,可以写入以下内容实现:

[mapping:my_component]
archive: libmy_component.a
entries:
    * (noflash)

类似的,写入以下内容可以将整个组件存放到 RTC 存储器中:

[mapping:my_component]
archive: libmy_component.a
entries:
    * (rtc)

根据具体配置存放

假设只有在某个条件为真时,比如 CONFIG_PERFORMANCE_MODE == y 时,整个组件库才有特定存放区域,可以写入以下内容实现:

[mapping:my_component]
archive: libmy_component.a
entries:
    if PERFORMANCE_MODE = y:
        * (noflash)
    else:
        * (default)

来看一种更复杂的情况。假设``CONFIG_PERFORMANCE_LEVEL == 1`` 时,只有 object1.o 存放到 RAM 中;CONFIG_PERFORMANCE_LEVEL == 2 时,object1.oobject2.o 会存放到 RAM 中;CONFIG_PERFORMANCE_LEVEL == 3 时,库中的所有目标文件都会存放到 RAM 中。以上三个条件为假时,整个库会存放到 RTC 存储器中。虽然这种使用场景很罕见,不过,还是可以通过以下方式实现:

[mapping:my_component]
archive: libmy_component.a
entries:
    if PERFORMANCE_LEVEL = 1:
        my_src1 (noflash)
    elif PERFORMANCE_LEVEL = 2:
        my_src1 (noflash)
        my_src2 (noflash)
    elif PERFORMANCE_LEVEL = 3:
        my_src1 (noflash)
        my_src2 (noflash)
        my_src3 (noflash)
    else:
        * (rtc)

也可以嵌套条件检查。以下内容与上述片段等效:

[mapping:my_component]
archive: libmy_component.a
entries:
    if PERFORMANCE_LEVEL <= 3 && PERFORMANCE_LEVEL > 0:
        if PERFORMANCE_LEVEL >= 1:
            object1 (noflash)
            if PERFORMANCE_LEVEL >= 2:
                object2 (noflash)
                if PERFORMANCE_LEVEL >= 3:
                    object2 (noflash)
    else:
        * (rtc)

默认存放区域

到目前为止,“默认存放区域”在未指定 rtcnoflash 存放规则时才会使用,作为备选方案。需要注意的是,noflash 或者 rtc 标记不仅仅是关键字,实际上还是被称作片段的实体,确切地说是 协议

rtcnoflash 类似,还有一个 默认 协议,定义了默认存放规则。顾名思义,该协议规定了代码和数据通常存放的区域,即代码和恒量存放在 flash 中,变量存放在 RAM 中。更多关于默认协议的信息,请见 这里

注解

使用链接脚本生成机制的 IDF 组件示例,请参阅 freertos/CMakeLists.txt。为了提高性能,freertos 使用链接脚本生成机制,将其目标文件存放到 RAM 中。

快速入门指南到此结束,下文将详述这个机制的内核,有助于创建自定义存放区域或修改默认方式。

链接脚本生成机制内核

链接是将 C/C++ 源文件转换成可执行文件的最后一步。链接由工具链的链接器完成,接受指定代码和数据存放区域等信息的链接脚本。链接脚本生成机制的转换过程类似,区别在于传输给链接器的链接脚本根据(1) 收集的 链接片段文件 和 (2) 链接脚本模板 动态生成。

注解

执行链接脚本生成机制的工具存放在 tools/ldgen 之下。

链接片段文件

如快速入门指南所述,片段文件是拓展名为 .lf 的简单文本文件,内含想要存放区域的信息。不过,这是对片段文件所包含内容的简化版描述。实际上,片段文件内包含的是“片段”。片段是实体,包含多条信息,这些信息放在一起组成了存放规则,说明目标文件各个段在二进制输出文件中的存放位置。片段一共有三种,分别是 协议映射

语法

三种片段类型使用同一种语法:

[type:name]
key: value
key:
    value
    value
    value
    ...
  • 类型:片段类型,可以为 协议映射

  • 名称:片段名称,指定片段类型的片段名称应唯一。

  • 键值:片段内容。每个片段类型可支持不同的键值和不同的键值语法。

注解

多个片段的类型和名称相同时会引发异常。

注解

片段名称和键值只能使用字母、数字和下划线。

条件检查

条件检查使得链接脚本生成机制可以感知配置。含有配置值的表达式是否为真,决定了使用哪些特定键值。检查使用的是 kconfiglib 脚本的 eval_string,遵循该脚本要求的语法和局限性,支持:

  • 比较
    • 小于 <

    • 小于等于 <=

    • 大于 >

    • 大于等于 >=

    • 等于 =

    • 不等于 !=

  • 逻辑
    • ||

    • &&

    • 否定?取反? !

  • 分组
    • 圆括号 ()

条件检查和其他语言中的 if...elseif/elif...else 块作用一样。键值和完整片段都可以进行条件检查。以下两个示例效果相同:

# 键值取决于配置
[type:name]
key_1:
    if CONDITION = y:
        value_1
    else:
        value_2
key_2:
    if CONDITION = y:
        value_a
    else:
        value_b
# 完整片段的定义取决于配置
if CONDITION = y:
    [type:name]
    key_1:
        value_1
    key_2:
        value_b
else:
    [type:name]
    key_1:
        value_2
    key_2:
        value_b

注释

链接片段文件中的注释以 # 开头。和在其他语言中一样,注释提供了有用的描述和资料,在处理过程中会被忽略。

与 ESP-IDF v3.x 链接脚本片段文件兼容

ESP-IDF v4.0 变更了链接脚本片段文件使用的一些语法:

  • 必须缩进,缩进不当的文件会产生解析异常;旧版本不强制缩进,但之前的文档和示例均遵循了正确的缩进语法

  • 条件改用 if...elif...else 结构,可以嵌套检查,将完整片段置于条件内

  • 映射片段和其他片段类型一样,需有名称

链接脚本生成器可解析 ESP-IDF v3.x 版本中缩进正确的链接片段文件(如 ESP-IDF v3.x 版本中的本文件所示),依然可以向后兼容此前的映射片段语法(可选名称和条件的旧语法),但是会有弃用警告。用户应换成本文档介绍的新语法,因为旧语法将在未来停用。

请注意,ESP-IDF v3.x 不支持使用 ESP-IDF v4.0 新语法的链接片段文件。

类型

段定义了 GCC 编译器输出的一系列目标文件段,可以是默认段(如 .text.data),也可以是用户通过 __attribute__ 关键字定义的段。

‘+’ 表示段列表开始,且当前段为列表中的第一个段。这种表达方式更加推荐。

[sections:name]
entries:
    .section+
    .section
    ...

示例:

# 不推荐的方式
[sections:text]
entries:
    .text
    .text.*
    .literal
    .literal.*

# 推荐的方式,效果与上面等同
[sections:text]
entries:
    .text+              # 即 .text 和 .text.*
    .literal+           # 即 .literal 和 .literal.*

协议

协议定义了每个段对应的 目标

[scheme:name]
entries:
    sections -> target
    sections -> target
    ...

示例:

[scheme:noflash]
entries:
    text -> iram0_text          # text 段下的所有条目均归入 iram0_text
    rodata -> dram0_data        # rodata 段下的所有条目均归入 dram0_data

默认 协议

注意,有一个 默认 的协议很特殊,特殊在于包罗存放规则都是根据这个协议中的条目生成的。这意味着,如果该协议有一条条目是 text -> flash_text,则将为目标 flash_text 生成如下的存放规则:

*(.literal .literal.* .text .text.*)

这些生成的包罗规则将用于未指定映射规则的情况。

默认 协议在 esp32/ld/esp32_fragments.lf 文件中定义,快速上手指南中提到的内置 noflash 协议和 rtc 协议也在该文件中定义。

映射

映射定义了可映射实体(即目标文件、函数名、变量名和库)对应的协议。

[mapping]
archive: archive                # 构建后输出的库文件名称(即 libxxx.a)
entries:
    object:symbol (scheme)      # 符号
    object (scheme)             # 目标
    * (scheme)                  # 库

有三种存放粒度:

  • 符号:指定了目标文件名称和符号名称。符号名称可以是函数名或变量名。

  • 目标:只指定目标文件名称。

  • 库:指定 *,即某个库下面所有目标文件的简化表达法。

为了更好地理解条目的含义,我们看一个按目标存放的例子。

object (scheme)

根据条目定义,将这个协议展开:

object (sections -> target,
        sections -> target,
        ...)

再根据条目定义,将这个段展开:

object (.section,
        .section,
        ... -> target, # 根据目标文件将这里所列出的所有段放在该目标位置

        .section,
        .section,
        ... -> target, # 同样的方法指定其他段

        ...)           # 直至所有段均已展开

示例:

[mapping:map]
archive: libfreertos.a
entries:
    * (noflash)

按符号存放

按符号存放可通过编译器标志 -ffunction-sections-ffdata-sections 实现。ESP-IDF 默认用这些标志编译。 用户若选择移除标志,便不能按符号存放。另外,即便有标志,也会其他限制,具体取决于编译器输出的段。

比如,使用 -ffunction-sections,针对每个功能会输出单独的段。段的名称可以预测,即 .text.{func_name}.literal.{func_name}。但是功能内的字符串并非如此,因为字符串会进入字符串池,或者使用生成的段名称。

使用 -fdata-sections,对全局数据来说编译器可输出 .data.{var_name}.rodata.{var_name}.bss.{var_name};因此 类型 I 映射词条可以适用。 但是,功能中声明的静态数据并非如此,生成的段名称是将变量名称和其他信息混合。

链接脚本模板

链接脚本模板是指定存放规则的存放位置的框架,与其他链接脚本没有本质区别,但带有特定的标记语法,可以指示存放生成的存放规则的位置。

如需引用一个 目标 标记下的所有存放规则,请使用以下语法:

mapping[target]

示例:

以下示例是某个链接脚本模板的摘录,定义了输出段 .iram0.text,该输出段包含一个引用目标 iram0_text 的标记。

.iram0.text :
{
    /* 标记 IRAM 空间不足 */
    _iram_text_start = ABSOLUTE(.);

    /* 引用 iram0_text */
    mapping[iram0_text]

    _iram_text_end = ABSOLUTE(.);
} > iram0_0_seg

假设链接脚本生成器收集到了以下片段定义:

[sections:text]
    .text+
    .literal+

[sections:iram]
    .iram1+

[scheme:default]
entries:
    text -> flash_text
    iram -> iram0_text

[scheme:noflash]
entries:
    text -> iram0_text

[mapping:freertos]
archive: libfreertos.a
entries:
    * (noflash)

则该脚本生成器生成的链接脚本文件,其摘录应如下所示:

.iram0.text :
{
    /* 标记 IRAM 空间不足 */
    _iram_text_start = ABSOLUTE(.);

    /* 处理片段生成的存放规则,存放在模板标记的位置处 */
    *(.iram1 .iram1.*)
    *libfreertos.a:(.literal .text .literal.* .text.*)

    _iram_text_end = ABSOLUTE(.);
} > iram0_0_seg

*libfreertos.a:(.literal .text .literal.* .text.*)

这是根据 freertos 映射的 * (noflash) 条目生成的规则。libfreertos.a 库下所有目标文件的所有 text 段会收集到 iram0_text 目标下(按照 noflash 协议),并放在模板中被 iram0_text 标记的地方。

*(.iram1 .iram1.*)

这是根据默认协议条目 iram -> iram0_text 生成的规则。默认协议指定了 iram -> iram0_text 条目,因此生成的规则同样也放在被 iram0_text 标记的地方。由于该规则是根据默认协议生成的,因此在同一目标下收集的所有规则下排在第一位。

目前使用的链接脚本模板是 esp32/ld/esp32.project.ld.in,由 esp32 组件指定,生成的脚本存放在构建目录下。