C++常量关键字异常行为

C++ constant keyword abnormal behaviour

本文关键字：异常 关键字 常量 C++      更新时间：2023-10-16

我们正在为STM32F103 MCU进行开发。我们使用裸金属C++代码和ARMGCC工具链。经过几个小时与可疑表达式的斗争，我们发现常量关键字会触发该表达式的不同结果。当使用x86 GCC工具链测试同一段代码时，问题是不存在的
我们正在使用STM的GPIOS进行调试
这是完全再现问题的代码：

#include "stm32f10x.h"
#include "system_stm32f10x.h"
#include "stdlib.h"
#include "stdio.h"
const unsigned short RTC_FREQ = 62500;
unsigned short prescaler_1ms = RTC_FREQ/1000;
int main()
{
//********** Clock Init **********
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_ADCPRE_0 | RCC_CFGR_ADCPRE_1; // ADC prescaler
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN; // Alternate Function I/O clock enable
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN; // I/O port C clock enable
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // I/O port A clock enable
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN; // ADC 1 interface clock enable
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN; // Timer 2 clock enable 
RCC->AHBENR = RCC_AHBENR_DMA1EN; // DMA1 clock enable
RCC->CSR = RCC_CSR_LSION; // Internal Low Speed oscillator enable
//********************************
/* GPIO Configuration */
GPIOC->CRH = GPIO_CRH_MODE12_0; //GPIO Port C Pin 12 
GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_1 | GPIO_CRH_MODE13_0;
GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE10_0;
GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE9_0;
GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE8_0;
GPIOC->CRL = GPIO_CRL_MODE7_0;
GPIOC->CRL |= GPIO_CRL_MODE6_0;
GPIOC->CRL |= GPIO_CRL_MODE4_0;
GPIOC->CRL |= GPIO_CRL_MODE3_0;

while(1){
if(prescaler_1ms & (1<<0))GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BR13;
else GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BS13;
if(prescaler_1ms & (1<<1))GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BR12;
else GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BS12;
if(prescaler_1ms & (1<<2))GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BR10;
else GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BS10;
if(prescaler_1ms & (1<<3))GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BR9;
else GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BS9;
if(prescaler_1ms & (1<<4))GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BR8;
else GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BS8;
if(prescaler_1ms & (1<<5))GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BR7;
else GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BS7;
if(prescaler_1ms & (1<<6))GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BR6;
else GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BS6;
if(prescaler_1ms & (1<<7))GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BR4;
else GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BS4;
if(prescaler_1ms & (1<<8))GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BR3;
else GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BS3;
}
return 0;
}

当该代码编译时，我们期望GPIOS上的结果0b111110。当我们更改时

const unsigned short RTC_FREQ = 62500;

至

unsigned short RTC_FREQ = 62500;

我们得到0b111111111
这是我们使用的Makefile：

EABI_PATH=$(ROOT_DIR)"arm_toolchain/gcc-arm-none-eabi-6-2017-q2-update/arm-none-eabi/"
CMSIS_INC_PATH=$(ROOT_DIR)"STMLib/STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0/Libraries/CMSIS/CM3/"
PROJECT_INC=$(ROOT_DIR)
CXXINCS = -I$(EABI_PATH)"include" -I$(CMSIS_INC_PATH)"CoreSupport" -I$(CMSIS_INC_PATH)"DeviceSupport/ST/STM32F10x" -I$(PROJECT_INC)"Source" -I$(PROJECT_INC)"Includes"
CXXLIBS = -L$(EABI_PATH)"lib" -L$(EABI_PATH)"6.3.1"
CXXFLAGS = --specs=nosys.specs -DSTM32F10X_MD -DVECT_TAB_FLASH -fdata-sections -ffunction-sections -fno-exceptions -mthumb -mcpu=cortex-m3 -march=armv7-m -O2
LDFLAGS = -lstdc++ -Wl,--gc-sections
CC = $(EABI_PATH)"../bin/arm-none-eabi-gcc"
CXX = $(EABI_PATH)"../bin/arm-none-eabi-g++"
LD = $(EABI_PATH)"../bin/arm-none-eabi-ld"
STRIP = $(EABI_PATH)"../bin/arm-none-eabi-strip"
all:
$(CC) $(CXXINCS) -c $(PROJECT_INC)"Source/syscalls.c" $(PROJECT_INC)"Source/startup.c" $(CXXFLAGS)
$(CXX) $(CXXINCS) -c $(PROJECT_INC)"Source/main.cpp" $(CMSIS_INC_PATH)"DeviceSupport/ST/STM32F10x/system_stm32f10x.c" $(CXXFLAGS)
$(CXX) $(CXXLIBS) -o main syscalls.o main.o startup.o -T linker.ld system_stm32f10x.o $(LDFLAGS)
$(STRIP) --strip-all main
$(EABI_PATH)"bin/objcopy" -O binary main app
$(EABI_PATH)"bin/objdump" -b binary -m arm_any -D app > app_disasm
rm -f *.o main adc timer task solenoid dma startup syscalls system_stm32f10x

有人知道是什么导致了这样的问题吗？这是编译器错误吗？我们错过什么了吗？

将我的理论推广到一个答案，因为它得到了启动代码和LD脚本的证实。

不调用C++初始化代码，该代码本应将62复制到prescaler_1ms中。当您将RTC_FREQ定义为const时，此计算的结果在编译时是已知的，62存在于闪存中，不需要初始化。

C++初始化由许多生成的函数执行，这些函数的名称类似于_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii。指向这些函数的指针由编译器在.init_array和.pre_init_array部分中收集。在调用main()之前，启动代码应该遍历这些指针并调用它们中的每一个。这些指针数组的边界对于启动代码来说是已知的，因为这些特殊符号是由链接器脚本定义的：

__preinit_array_start, __preinit_array_end
__init_array_start, __init_array_end

_preinit_array和__init_array之间的区别我还不清楚。前者在调用_init函数之前调用，后者在调用之后调用。在我的项目中，gcc提供的_init函数似乎不是一个有效的函数，所以我不调用它

当使用__fini_array_start和__fini_array_end调用全局对象的C++析构函数时，在程序终止时存在一个对称过程。然而，对于嵌入式系统来说，它可能并不相关。

使项目调用C++初始化的最小步骤是：

  1. 在链接器脚本中包含.init_array部分

根据您提供的文档，.init_array部分似乎已经定义为：

. = ALIGN(4);
__preinit_array_start = .;
KEEP(*(.preinit_array))
__preinit_array_end = .;
. = ALIGN(4);
__init_array_start = .;
KEEP(*(SORT(.init_array.*)))
KEEP(*(.init_array))
__init_array_end = .;
  1. 拥有在程序启动时调用这些指针的代码这部分似乎没有出现在您的设置中，这是问题的实际原因

您可以向startup.c中的__Init_Data()函数添加以下代码(或类似代码)：

// usually these are defined with __attribute__((weak)) but I prefer to get errors when required things are missing
extern void (*__preinit_array_start[])(void);
extern void (*__preinit_array_end[])(void);
extern void (*__init_array_start[])(void);
extern void (*__init_array_end[])(void);
void __Init_Data(void) {
// copying initialized data from flash to RAM
...
// zeroing bss segment
...
// calling C++ initializers
void (**f)(void);
for (f = __preinit_array_start; f != __preinit_array_end; f++)
(*f)();
// init(); // _init and _fini do not work for me
for (f = __init_array_start; f != __init_array_end; f++)
(*f)();
}

同样，我不确定_init函数，所以在这里对它进行了注释。过一段时间我可能会问自己的问题。

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