關(guān)于RT-Thread的__bss_end - __bss_start的問題解析

Q1. ELF bss == (bss_end - .stack)?
Q1. 編譯完成后，ELF解析的bss數(shù)值3372，并不等于bss_end - bss_start，而是等于bss_end - sstack。

Step 1. 在RT-Thread Studio中創(chuàng)建一個基于4.0.5和STM32L431RCTx的工程。

編譯完成后，得到的輸出結(jié)果是

arm-none-eabi-size --format=berkeley "rtthread.elf"
text data bss dec hex filename
53632 1816 3372 58820 e5c4 rtthread.elf
Used Size(B) Used Size(KB)
Flash: 55448 B 54.15 KB
RAM: 5188 B 5.07 KB
Flash大?。?5448 = text + data，因為data段的初始值存放在Flash中。
RAM大?。?188 = data + bss，因為R/W變量存放在RAM中。
Step 2. 貼上RT-Thread Studio生成的部分map文件

.stack 0x20000718 0x400 load address 0x0800d898
0x20000718 . = ALIGN (0x4)
0x20000718 _sstack = .
0x20000b18 . = (. + _system_stack_size)
fill 0x20000718 0x400
0x20000b18 . = ALIGN (0x4)
0x20000b18 _estack = .
0x20000b18 __bss_start = .
.bss 0x20000b18 0x92c load address 0x0800dc98
0x20000b18 . = ALIGN (0x4)
0x20000b18 _sbss = .
*(.bss)
.bss 0x20000b18 0x1c c:/rt-threadstudio/repo/extract/toolchain_support_packages/arm/gnu_tools_for_arm_embedded_processors/5.4.1/bin/../lib/gcc/arm-none-eabi/5.4.1/armv7e-m/fpu/crtbegin.o
(.bss. )
.bss.rt_tick 0x20000b34 0x4 ./rt-thread/src/clock.o
.bss.idle 0x20000b38 0x80 ./rt-thread/src/idle.o
.bss.rt_thread_stack
......
.bss.uart_obj 0x2000123c 0xdc ./drivers/drv_usart.o
*(COMMON)
COMMON 0x20001318 0x4 ./rt-thread/src/kservice.o
0x20001318 rt_assert_hook
......
COMMON 0x20001440 0x4 ./libraries/STM32L4xx_HAL_Driver/Src/stm32l4xx_hal.o
0x20001440 uwTick
0x20001444 . = ALIGN (0x4)
0x20001444 _ebss = .
*(.bss.init)
0x20001444 __bss_end = .
0x20001444 _end = .
使用__bss_end - __bss_start = 0x20001444 - 0x20000b18 = 0x92C = 2348D
使用__bss_end - _sstack = 0x20001444 - 0x20000718 = 0xD2C = 3372D
關(guān)注RT-Thread Studio給出的信息，只包含了text，data，bss三個信息，其中，data和bss都是存放在RAM中的。

因此，從分析中可知，Studio編譯完成后:

ELF分析工具給出的bss數(shù)據(jù)，包括了*.lds文件中的.stack段, .bss段和.COOMMON段。
data數(shù)據(jù)對應(yīng).data段。
.bss + .COMMON + .stack == ELF bss。
Q2. Which kind of variables are placed in .Common?
Q2. .bss和.common部分的關(guān)系？

Step 1. 在main.c中聲明新全局變量global_uint32_a

rt_uint32_t global_uint32_a;
因為僅僅聲明了變量，而沒有使用該變量，因此編譯器優(yōu)化了這個變量，沒有為它實際分配地址，編譯后，ELF bss沒有變化，依然是3372。

Step 2. 在main函數(shù)中添加對變量的使用，防止編譯器優(yōu)化

在main函數(shù)中增加一條使用LOD_D打印global_uint32_a的語句，發(fā)現(xiàn)bss數(shù)據(jù)從3372變化成3376。

打開map文件，查看global_uint32_a。此時，發(fā)現(xiàn)global_uint32_a被放入到了COMMON段中。

COMMON 0x20001440 0x4 ./libraries/STM32L4xx_HAL_Driver/Src/stm32l4xx_hal.o
0x20001440 uwTick
COMMON 0x20001444 0x4 ./applications/main.o
0x20001444 global_uint32_a
0x20001448 . = ALIGN (0x4)
0x20001448 _ebss = .
*(.bss.init)
0x20001448 __bss_end = .
0x20001448 _end = .
Step 3. 修改global_uint32_a的聲明，在聲明前加入static

static rt_uint32_t global_uint32_a;
編譯后，將gloabal_a放入了.bss段中

.bss.global_uint32_a 0x20001318 0x4 ./applications/main.o
不妨查找map中的COMMON段的變量，rt_object_put_hook, rt_object_take_hook等，它們均是全局變量，在某個*.c文件中被聲明，在其他文件中使用extern方式聲明，在多個文件中均有使用。

RT-Thread代碼中的.bss的變量，均使用了static聲明，該變量的作用域僅限于本文件。若外部文件需要使用，則可以以函數(shù)調(diào)用形式，返回該變量的地址即可。使用這種方式，防止了全局變量滿天飛，在模塊間的解耦較好。

Step 4. 在main.c聲明新變量rt_uint8_t類型的新變量global_uint8_b

再次聲明一個rt_uint8_t類型的新變量global_uint8_b，不使用static描述，且打印該變量防止編譯器優(yōu)化該變量。

rt_uint8_t global_uint8_b;
LOG_D("%d, %d",global_uint32_a, global_uint8_b);
編譯后，ELF bss變化成3380，而不是預(yù)期的從3376變化成3377。原因是RAM 4字節(jié)對齊，在lds文件中使用ALIGN(4)的方式進行了約束。

從生成的map文件中可以看到，global_uint8_b被放置在COMMON中，且下方還有ALIGN(4)和fill（填充）的描述。

COMMON 0x20001448 0x1 ./applications/main.o
0x20001448 global_uint8_b
0x2000144c . = ALIGN (0x4)
fill 0x2000144d 0x3
Step 5. 在board.c中聲明同名、同類型的global_uint8_b

在board.c中聲明同名、同類型的global_uint8_b，且在rt_hw_board_init函數(shù)中對global_uint8_b變量賦值為2，防止編譯器優(yōu)化。

rt_uint8_t global_uint8_b;
RT_WEAK void rt_hw_board_init()
{
global_uint8_b = 2;
.......
}

未在board.c中聲明global_uint8_b之前的編譯結(jié)果和map文件節(jié)選如下所示，global_uint8_b在map文件中出現(xiàn)了3次。

/ board.c中聲明變量之前 /
arm-none-eabi-size --format=berkeley "rtthread.elf"
text data bss dec hex filename
53680 1816 3380 58876 e5fc rtthread.elf
/ map文件節(jié)選，省略部分內(nèi)容 /
Allocating common symbols
Common symbol size file
global_uint8_b 0x1 ./applications/main.o
.....
.bss.global_uint32_a
0x20001318 0x4 ./applications/main.o
*(COMMON)
COMMON 0x2000131c 0x4 ./rt-thread/src/kservice.o
0x2000131c rt_assert_hook
.....
COMMON 0x20001448 0x1 ./applications/main.o
0x20001448 global_uint8_b
0x2000144c . = ALIGN (0x4)
fill 0x20001449 0x3
.....
global_uint8_b ./applications/main.o
在board.c中聲明global_uint8_b之后的編譯結(jié)果和map文件節(jié)選如下所示。global_uint8_b在map文件中出現(xiàn)了3次，但是同時main.o和board.o均引用了該變量。

/ board.c中聲明變量之后 /
arm-none-eabi-size --format=berkeley "rtthread.elf"
text data bss dec hex filename
53692 1816 3380 58888 e608 rtthread.elf
/ map文件節(jié)選，省略部分內(nèi)容 /
Allocating common symbols
Common symbol size file
global_uint8_b 0x1 ./drivers/board.o
.....
.bss.global_uint32_a
0x20001318 0x4 ./applications/main.o
*(COMMON)
COMMON 0x2000131c 0x4 ./rt-thread/src/kservice.o
0x2000131c rt_assert_hook
.....
COMMON 0x20001448 0x1 ./drivers/board.o
0x20001448 global_uint8_b
0x2000144c . = ALIGN (0x4)
fill 0x20001449 0x3
.....
global_uint8_b ./applications/main.o
./drivers/board.o

對比在board.c中聲明變量global_uint8_b的前后，發(fā)現(xiàn)ELF bss均沒有變化。從map文件中可以看到，在鏈接過程中，main.o文件中實際用到的是board.o的值。實際整個工程中只有一個global_uint8_b變量，屬于弱符號。

因為board.c中的rt_hw_board_init函數(shù)先于main.c中的main函數(shù)運行，所以將程序下載到開發(fā)板中，會發(fā)現(xiàn)main函數(shù)中打印出來的global_uint8_b的值為2。

Step 6. 將main.c中的global_uint8_b限制為static

保持上述在board.c中的修改，將main.c中的global_uint8_b變量用static描述。

編譯之后ELF bss增加4個字節(jié)，變化成3384，整個工程中會有兩個global_uint8_b變量，且位于不同的地址。

main.c中的global_uint8_b位于.bss，是個強符號
board.c中的global_uint8_b位于COMMON，是個弱符號
下方內(nèi)容是將main.c中的global_uint8_b用static修飾之后的map文件節(jié)選。global_uint8_b在map文件中出現(xiàn)了4次，且main.o和board.o的變量位于不同地址。

/ main.c中的變量用static限制 /
arm-none-eabi-size --format=berkeley "rtthread.elf"
text data bss dec hex filename
53692 1816 3384 58892 e60c rtthread.elf
/ map文件節(jié)選，省略部分內(nèi)容 /
Allocating common symbols
Common symbol size file
global_uint8_b 0x1 ./drivers/board.o
.....
.bss.global_uint32_a
0x20001318 0x4 ./applications/main.o
.bss.global_uint8_b
0x2000131c 0x1 ./applications/main.o
*(COMMON)
fill 0x2000131d 0x3
COMMON 0x20001320 0x4 ./rt-thread/src/kservice.o
0x20001320 rt_assert_hook
.....
COMMON 0x2000144c 0x1 ./drivers/board.o
0x2000144c global_uint8_b
0x20001450 . = ALIGN (0x4)
fill 0x2000144d 0x3
.....
global_uint8_b ./drivers/board.o

雖然board.c中的rt_hw_board_init函數(shù)先于main.c中的main函數(shù)運行，且在board.c中g(shù)lobal_uint8_b的值修改成2，但是將程序下載到開發(fā)板中，打印出來的global_uint8_b的值為0。因為兩者實際處于不同地址。

小結(jié)

綜上所述，形成如下小結(jié)：

ELF bss包括了：.stack, .bss, .COMMON，它們的地址均位于RAM。
.bss段中的是強符號，.COMMON段中的是弱符號。
RT-Thread的啟動代碼中_bss_start和_bss_end部分的差值，是強符號的.bss部分和弱符號的.COMMON部分之和，啟動代碼對這部分進行清零操作。
多個文件中有同名的變量不可怕，要有強、弱之分。
加了static修飾的全局變量在.bss；未加static修飾的全局變量在.COMMON。
多字節(jié)對齊，方便CPU對數(shù)據(jù)進行快速訪問。