RV64环境下GCC链接器R_RISCV_HI20重定位错误及32位差异咨询

问题现象 #

将DCCM内存地址设为0x80000000时，编译触发如下错误：

Main.c:(.text+0x8): relocation truncated to fit: R_RISCV_HI20 against `G_var'

但地址设为0x40000000时编译正常，且32位RISC-V编译无此错误。

相关代码与编译命令 #

C代码（Main.c） #

static volatile unsigned int G_var;

void main()
{
    G_var |= 1;
}

链接脚本（link.lds） #

/*
Linker script
*/

OUTPUT_ARCH( "riscv" )

ENTRY( main )

MEMORY
{
  bram      (wxa!ri) : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 64K
  dccm      (wa!ri)  : ORIGIN = 0x80000000, LENGTH = 64K   
}

PHDRS
{
  ram_load   PT_LOAD;
  dccm_load  PT_LOAD;
}

/*----------------------------------------------------------------------*/
/* Sections                            */
/*----------------------------------------------------------------------*/

SECTIONS
{
  .text :
  {
    *(.text.unlikely .text.unlikely.*)
    *(.text.startup .text.startup.*)
    . = ALIGN(8);
  } > bram : ram_load

  .bss :
  {
    *(.sbss .sbss.* .gnu.linkonce.sb.*)
    *(.scommon)
    *(.bss .bss.*) 
    . = ALIGN(8);
  } >dccm
}  

编译命令 #

../toolchains/gcc/bin/riscv32-swerv-elf-gcc -march=rv64imac -mabi=lp64 -nostartfiles -nostdlib Main.c -o main.elf -T link.lds

原因分析 #

1. 64位小地址模型的寻址限制 #

当前使用RV64架构+LP64 ABI，编译器默认启用小地址模型，访问全局变量时优先用auipc + lw/sw的PC相对寻址组合。其中auipc指令的HI20立即数是有符号20位，仅能覆盖相对于当前PC的-512KB到+512KB范围。一旦全局变量与代码段的地址差超出这个区间，就会触发重定位截断错误。

2. 两种地址的差异 #

• 当DCCM地址为0x80000000时，G_var所在的.bss段与.text段（0x0起始）的地址差为0x80000000，远大于±512KB，auipc无法生成合法偏移量，直接报错。
• 当DCCM地址为0x40000000时，地址差的高20位是0x40000，这个值在有符号20位的正区间内（最大正偏移为0x7FFFF），auipc能正确生成偏移，因此编译通过。

3. 32位编译无错的原因 #

32位RISC-V编译时，编译器默认采用lui + lw/sw的绝对寻址方式。lui指令加载无符号20位高位地址，只要变量地址在32位空间内合法，就能通过lui加载高20位，再配合12位偏移访问，不存在PC相对寻址的范围限制，因此不会触发错误。

解决办法 #

• 切换到中等地址模型：编译时添加-mcmodel=medany参数，RV64的中等地址模型允许数据分布在整个64位地址空间，编译器会自动改用lui + lw/sw的绝对寻址方式，避开PC相对寻址的范围限制。
• 调整内存布局：将代码段和数据段的地址差控制在±512KB以内。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Alex