链接器脚本生成机制

[English]

概述

ESP32-S2 中有多个用于存放代码和数据的内存区域。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，用户必须更改默认存放区域。

例如：

将关键代码存放到 RAM 中以提高性能；
将可执行代码存放到 IRAM 中，以便在缓存被禁用时运行这些代码；
将代码存放到 RTC 存储器中，以便在 wake stub 中使用；
将代码存放到 RTC 内存中，以便 ULP 协处理器使用。

链接器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。

假设用户有:

components
└── my_component
    ├── CMakeLists.txt
    ├── 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.c、my_src2.c 和 my_src3.c，编译后分别为 my_src1.o、my_src2.o 和 my_src3.o
在 my_src1.o 中定义 my_function1 功能；在 my_src2.o 中定义 my_function2 功能
在 my_component 下 Kconfig 中存在布尔类型配置 PERFORMANCE_MODE (y/n) 和整数类型配置 PERFORMANCE_LEVEL （范围是 0-3）

创建和指定链接器片段文件

首先，用户需要创建链接器片段文件。链接器片段文件是一个扩展名为 .lf 的文本文件，想要存放的位置信息会写入该文件内。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：

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，指向已创建的链接器片段文件。

# 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 或 .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。

在链接器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 my_function1 影响到性能；object2.o 目标文件中只有 my_function2 需要在芯片从深度睡眠中唤醒后运行。要实现该目的，可在链接器片段文件中写入以下内容：

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

my_src1.o 和 my_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，可以写入以下内容存放整个库：

[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.o 和 object2.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 rtc 和 noflash 存放规则时才会作为备选方案使用。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。

与 rtc 和 noflash 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。

备注

使用链接器脚本生成机制的 IDF 组件示例，请参阅 freertos/CMakeLists.txt。为了提高性能，freertos 使用链接器脚本生成机制，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。

链接器脚本生成机制内核

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。链接器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) 收集的链接器片段文件和 (2) 链接器脚本模板动态生成。

备注

执行链接器脚本生成机制的工具存放在 tools/ldgen 之下。

链接器片段文件

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，分别是段、协议和映射。

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 段、协议 或 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。
- 在段和协议中，仅支持 entries 键。
- 在映射中，支持 archive 和 entries 键。

备注

多个片段的类型和名称相同时会引发异常。

备注

片段名称和键值只能使用字母、数字和下划线。

条件检查

条件检查使得链接器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

或 ||

和 &&

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_a
else:
    [type:name]
    key_1:
        value_2
    key_2:
        value_b

注释

链接器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。

类型

段

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 esp_system/app.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，请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)

除了实体和协议，条目中也支持指定如下标志：（注：<> = 参数名称，[] = 可选参数）

ALIGN(<alignment>[, pre, post])

根据 alignment 中指定的数字对齐存放区域，根据是否指定 pre 和 post，或两者都指定，在输入段描述（生成于映射条目）的前面和/或后面生成：

SORT([<sort_by_first>, <sort_by_second>])

在输入段描述中输出 SORT_BY_NAME, SORT_BY_ALIGNMENT, SORT_BY_INIT_PRIORITY 或 SORT。

sort_by_first 和 sort_by_second 的值可以是：name、alignment、init_priority。

如果既没指定 sort_by_first 也没指定 sort_by_second，则输入段会按照名称排序，如果两者都指定了，那么嵌套排序会遵循 https://sourceware.org/binutils/docs/ld/Input-Section-Wildcards.html 中的规则。
KEEP()

用 KEEP 命令包围输入段描述，从而防止链接器丢弃存放区域。更多细节请参考 https://sourceware.org/binutils/docs/ld/Input-Section-Keep.html

4.SURROUND(<name>)

在存放区域的前面和后面生成符号，生成的符号遵循 _<name>_start 和 _<name>_end 的命名方式，例如，如果 name == sym1

在添加标志时，协议中需要指定具体的 section -> target。对于多个 section -> target，使用逗号作为分隔符，例如：

# 注意
# A. entity-scheme 后使用分号
# B. section2 -> target2 前使用逗号
# C. 在 scheme1 条目中定义 section1 -> target1 和 section2 -> target2
entity1 (scheme1);
    section1 -> target1 KEEP() ALIGN(4, pre, post),
    section2 -> target2 SURROUND(sym) ALIGN(4, post) SORT()

合并后，如下的映射：

[mapping:name]
archive: lib1.a
entries:
    obj1 (noflash);
        rodata -> dram0_data KEEP() SORT() ALIGN(8) SURROUND(my_sym)

会在链接器脚本上生成如下输出：

. = ALIGN(8)
_my_sym_start = ABSOLUTE(.)
KEEP(lib1.a:obj1.*( SORT(.rodata) SORT(.rodata.*) ))
_my_sym_end = ABSOLUTE(.)

注意，正如在 flag 描述中提到的，ALIGN 和 SURROUND 的使用对顺序敏感，因此如果将两者顺序调换后用到相同的映射片段，则会生成：

_my_sym_start = ABSOLUTE(.)
. = ALIGN(8)
KEEP(lib1.a:obj1.*( SORT(.rodata) SORT(.rodata.*) ))
_my_sym_end = ABSOLUTE(.)

按符号存放

按符号存放可通过编译器标志 -ffunction-sections 和 -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} 和 .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} 或 .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。

链接器脚本模板

链接器脚本模板是指定存放规则的存放位置的框架，与其他链接器脚本没有本质区别，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器脚本模板的摘录，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

假设链接器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)

然后生成的链接器脚本的相应摘录如下：

.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。

目前使用的链接器脚本模板是 esp_system/ld/esp32s2/sections.ld.in，生成的脚本存放在构建目录下。

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