STM32中PIC程序函数内静态变量未通过.got表寻址的解决问询

问题描述 #

我正在为STM32微控制器的Bootloader+双分区固件FOTA策略实现位置无关代码（PIC）。当固件被Bootloader加载到链接脚本指定外的地址时，只要Bootloader正确重映射中断表并加载正确的.got段偏移，固件可正常启动。但访问.bss段内的函数局部静态变量时地址错误，发现这些变量未通过.got表寻址，而是采用PC偏移方式，破坏了位置无关性。全局变量（含.bss段的）可通过.got表正常访问。

我使用GCC编译，已添加-fpic、-msingle-pic-base、-fno-jump-tables选项，尝试添加-mpic-data-is-text-relative但无效。请问是否有办法让所有函数局部静态变量像全局数据一样通过.got表映射，以确保代码位置无关性？

编译选项 #

-mcpu=cortex-m33 -std=gnu11 -g3 -DDEBUG -DUSE_FULL_LL_DRIVER -DUSE_HAL_DRIVER -DSTM32H563xx -c -I../Core/Inc -I../Drivers/STM32H5xx_HAL_Driver/Inc -I../Drivers/STM32H5xx_HAL_Driver/Inc/Legacy -I../Drivers/CMSIS/Device/ST/STM32H5xx/Include -I../Drivers/CMSIS/Include -I"C:\Repos\bootloader_test\BootloaderTest\Core\Shared" -O0 -ffunction-sections -fdata-sections -Wall -fno-jump-tables -fpic -msingle-pic-base -fstack-usage -fcyclomatic-complexity --specs=nano.specs -mfpu=fpv5-sp-d16 -mfloat-abi=hard -mthumb

链接脚本片段 #

.got段定义

.got (APP_GOT_START):
{
  . = ALIGN(4);
  GOT_START = .;
  KEEP(*(.got)) 
  GOT_END = .;
  . = ALIGN(4);
} >APP_GOT AT> APP_B_GOT

.bss段定义

.bss (APP_RAM_START):
{
  . = ALIGN(4);
  /* This is used by the startup in order to initialize the .bss section */
  _sbss = . ;         /* define a global symbol at bss start */
  __bss_start__ = _sbss ;
  *(.bss)
  *(.bss*)
  *(COMMON)

  . = ALIGN(4);
  _ebss = .;         /* define a global symbol at bss end */
  __bss_end__ = _ebss;
} >RAM

解决方案 #

1. 调整编译选项强制局部静态变量走GOT表 #

GCC默认对函数局部静态变量采用PC相对寻址，需添加以下选项修改行为：

-fpic -mpic-register=r9 -mno-pic-data-is-text-relative

• -mpic-register=r9：指定R9作为PIC基址寄存器，确保所有数据访问通过基址寄存器偏移计算。
• -mno-pic-data-is-text-relative：禁止数据采用文本段相对的PC寻址，强制全局、局部静态变量均通过GOT表访问。
• 保留原有的-msingle-pic-base，确保整个程序仅使用一个PIC基址，简化Bootloader的偏移加载逻辑。

2. 修改链接脚本，覆盖局部静态变量的段规则 #

函数局部静态变量默认会被归入.gnu.linkonce.b.*（未初始化）或.gnu.linkonce.d.*（已初始化）子段，需在链接脚本中显式包含这些段，并确保GOT表能捕获其引用：

更新.bss段定义

.bss (APP_RAM_START):
{
  . = ALIGN(4);
  _sbss = . ;
  __bss_start__ = _sbss ;
  *(.bss)
  *(.bss*)
  *(.gnu.linkonce.b.*)  /* 显式包含局部静态未初始化变量的子段 */
  *(COMMON)

  . = ALIGN(4);
  _ebss = .;
  __bss_end__ = _ebss;
} >RAM

更新.got段定义

.got (APP_GOT_START):
{
  . = ALIGN(4);
  GOT_START = .;
  KEEP(*(.got))
  KEEP(*(.got.plt))
  KEEP(*(.gnu.linkonce.got.*))  /* 捕获局部静态变量的GOT引用条目 */
  GOT_END = .;
  . = ALIGN(4);
} >APP_GOT AT> APP_B_GOT

3. 代码层强制变量属性（应急方案） #

如果编译/链接脚本调整无效，可给局部静态变量添加属性，强制编译器将其按全局变量处理：

void test_func(void)
{
  // 强制变量通过GOT表寻址
  static uint32_t static_var __attribute__((visibility("hidden")));
  static_var++;
}

该方法需逐个修改变量，适合小范围验证或临时修复。

4. 升级GCC版本 #

部分旧版GCC对Cortex-M系列的PIC支持存在缺陷，建议升级到GCC 10及以上版本，新版本对局部静态变量的PIC处理逻辑更严谨，能更好适配-fpic选项。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Matteo Vittorio Ricciutelli