我搞了十几年嵌入式,才发现全局变量是这样初始化的

原创 嵌入式软件实战派 2023-10-27 08:27
最近,有个好学的小伙子突然问了我一个问题:
全局变量的初始值,是在哪里赋值的?
这个问题虽然说不是很重要,但是我很好奇。
为了给讲清楚这个原理过程,我专门建立一个基于Renesas RH850的简单工程,挖一挖里面的技术细节。
我在main.c文件中定义了随便这几个变量
int counter, accumulator = 0, limit_value = 1000000;unsigned char str_aa55[2] = {0xAA,0x55};unsigned int int_1122334455667788 = 0x11223344;unsigned int int_55667788 = 0x55667788;int bss_val;void main(void){    }
然后,直接仿真查看,跟你我想的一样,在main函数之前就初始化完成了,即这些变量都自动初始化赋值了。
让人好奇的是,它是怎么做到的?
单片机的启动程序一般都是很简单的,即使汇编也没多少行,直接翻出来看看也许会知道答案。
  -- Clear local RAM  mov ___ghs_ramstart, r6  -- start of local RAM  mov ___ghs_ramend, r7    -- end of local RAM  mov r0, r11:  st.dw   r0, 0[r6]  addi    8, r6, r6  cmp r7, r6  bl 1b  -- Jump to the HW initialisation function  jarl  ___lowinit, lp  -- Jump to the initialisation functions of the library  -- and from there to main()  jr __start
以上这段汇编,根据旁边的注释其实很容易理解,前半部分就是将内存Local RAM初始化清零,即这段汇编可以见到梳理成
RAM清零--->执行___lowinit--->执行__start--->进入main函数
既然前面给RAM清零了,那么此时的全局变量应该全是0值吧,那可以推测,给全局变量赋初始值应该是在___lowinit__start了,但是这两个东西是编译环境里某个库的,暂时看不到源码。
但是,最终通过仿真查看变量值的方式,可以定位,给全局变量赋初始值是在__start里面。
此时,虽然我知道了它在哪里给全局变量初始化了,但是并不知道是怎样初始化的。
我还是很好奇,本着刨根问底的精神继续挖掘。
但是我在这个RH850的代码工程里面是找不到这个__start的源码内容的,仿真看汇编折腾了半天,突然想了下,为啥不换个其他工程试试,例如试试NXP S32K的?
于是,我创建了一个NXP S32K1xx的代码工程,仍然定义这几个变量
int counter, accumulator = 0, limit_value = 1000000;unsigned char str_aa55[2] = {0xAA,0x55};unsigned int  int_1122334455667788 = 0x11223344;unsigned int  int_55667788 = 0x55667788;int bss_val;
同样的讨论,直接翻启动文件的汇编代码
    /* Init .data and .bss sections */    ldr     r0,=init_data_bss    blx     r0
还是欧美的芯片简单粗暴,不像小日子做的初始化还有藏进库里。这不是很明显嘛,init_data_bss就是初始化全局变量的,以下截取了部分代码,也很容易理解。
void init_data_bss(void){    /* ...... */    /* Data */    data_ram        = (uint8_t *)__DATA_RAM;    data_rom        = (uint8_t *)__DATA_ROM;    data_rom_end    = (uint8_t *)__DATA_END;    /* ...... */    /* BSS */    bss_start       = (uint8_t *)__BSS_START;    bss_end         = (uint8_t *)__BSS_END;    /* ...... */        /* Copy initialized data from ROM to RAM */    while (data_rom_end != data_rom)    {        *data_ram = *data_rom;        data_ram++;        data_rom++;    }        /* ...... */    /* Clear the zero-initialized data section */    while(bss_end != bss_start)    {        *bss_start = 0;        bss_start++;    }    /* ...... */}

data段data_ram的初始化内容就是从data_rom来,而data_rom是从__DATA_ROM来。
那么,__DATA_ROM是什么东西,从哪里呢?
搜一搜工程里面的代码,很简单,这是从ld文件来

/* Specify the memory areas */MEMORY{  /* … */  /* SRAM_L */ m_data   (RW)  : ORIGIN = 0x1FFF8000, LENGTH = 0x00008000 m_data_2  (RW)  : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 0x00007000
  /* … */ .data : AT(__DATA_ROM)  {    . = ALIGN(4);    __DATA_RAM = .;    __data_start__ = .;      /* Create a global symbol at data start. */    *(.data)                 /* .data sections */    *(.data*)                /* .data* sections */    . = ALIGN(4);    __data_end__ = .;        /* Define a global symbol at data end. */  } > m_data
  __DATA_END = __DATA_ROM + (__data_end__ - __data_start__);  __CODE_ROM = __DATA_END; /* Symbol is used by code initialization. */

  /* Uninitialized data section. */  .bss :  {    /* This is used by the startup in order to initialize the .bss section. */    . = ALIGN(4);    __BSS_START = .;    __bss_start__ = .;    *(.bss)    *(.bss*)    *(COMMON)    . = ALIGN(4);    __bss_end__ = .;    __BSS_END = .;  } > m_data_2
这里简单介绍下,带有初始化值(非0)全局变量(例如unsigned int  int_55667788 = 0x55667788;),都是定义在data段的,而未定义初始化值的全局变量,是分在bss段的(例如int bss_val;)。
到底是不是我说的这样子,直接查看map文件中的变量名和对应地址或段名就知道了
.data           0x1fff8400      0x42c load address 0x000009cc                0x1fff8400                . = ALIGN (0x4)                0x1fff8400                __DATA_RAM = .                0x1fff8400                __data_start__ = . *(.data) *(.data*) .data.limit_value                0x1fff8400        0x4 ./src/main.o                0x1fff8400                limit_value .data.str_aa55                0x1fff8404        0x2 ./src/main.o                0x1fff8404                str_aa55 *fill*         0x1fff8406        0x2  .data.int_11223344                0x1fff8408        0x4 ./src/main.o                0x1fff8408                int_11223344 .data.int_55667788                0x1fff840c        0x4 ./src/main.o                0x1fff840c                int_55667788

.bss            0x20000000       0x28                0x20000000                . = ALIGN (0x4)                0x20000000                __BSS_START = .                0x20000000                __bss_start__ = . *(.bss) *(.bss*) .bss.accumulator                0x2000001c        0x4 ./src/main.o                0x2000001c                accumulator *(COMMON) COMMON         0x20000020        0x8 ./src/main.o                0x20000020                bss_val                0x20000024                counter                0x20000028                . = ALIGN (0x4)                0x20000028                __bss_end__ = .                0x20000028                __BSS_END = .
                0x000009cc                __DATA_ROM = .
另外,从这map文件里也可以看到,这个__DATA_ROM对应的地址是0x000009cc,也就是说,这些
int limit_value = 1000000;unsigned char str_aa55[2] = {0xAA,0x55};unsigned int  int_1122334455667788 = 0x11223344;unsigned int  int_55667788 = 0x55667788;
等等变量的的初始值是来源于0x000009cc这里。
那就直接查看生成的hex文件

是不是很巧,是不是很妙?!
不过,还是很好奇,这是怎么做到的,怎么恰巧这些值就在这个地址呢?
秘密就在于ld文件里的这个语句:.data : AT(__DATA_ROM)
意思是,定义在data段的变量对应的初始化值,就放在__DATA_ROM中。就这么简单,剩下的交给编译器就行了。
这里顺便提一下,排查跟踪这些信息需要掌握编译链接相关知识,特别是链接脚本和生成的map内容,我之前也跟我身边的很多小伙伴讲过这些内容,但是我建议系统地看看这些内容。我之前是无意中从《程序员的自我修养》这本书学到的,最大的感受就是让我得到了启发,在往后的编程日子里更关注MCU地址、编译和链接方面的内容,对排查底层问题相当有帮助。

S32K1的工程很清楚了,但是RH850的呢?一根筋的程序员,还是想知道__start到底干了啥?它所在的库又是怎么链接进来的,是怎么初始化的?
对这个问题一直记在心里,是一个化不开的结。终于某一天,我居然真的无意中发现了__start的源码,感叹小日子真的有一手。
这里涉及到的内容比较多也比较复杂,后续再写个文章讲解下GreenHills编译器的启动链接库到底干了什么,敬请关注!
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