【反复横跳】从AC5到AC6转型之路（1）——补救和准备

2022-05-17 14:47:43 浏览数 (1)

【说在前面的话】

时间大约在2015年，Arm第一次在 MDK 5.20 中引入了Arm Compiler 6（那时候的版本是 6.9），正式拉开了Arm官方编译器从第五版（armcc）到第六版（armclang）升级替换的序幕……

嵌入式行业的长尾效应是及其突出的，且不说都2022年了还有很多人在坚持 MDK4，即便是从“Arm在2017年对外宣布停止维护 Arm Compiler 5”算起，如今5年过去了，坚持使用 armcc 的用户仍然不在少数。

Arm Compiler 5，也就是大家口中的 armcc，它很弱么？相对免费的工具链 arm gcc来说，它还是强很明显；但你要说它非常能打么？作为一个“理论上”收费的编译器，它甚至已经全方位落后于最新发布的“免费开源”编译器LLVM Embedded ToolChain For Arm 14.0.0（clang），更不用说现在的当红贵人Arm Compiler 6（armclang）了。

如果非要我给出一份“不负责任”的编译器性能对比的话，这是独属于我的答案：

arm gcc < armcc < clang < IAR <= armclang

别问我为什么，问就是谁用谁知道。

如果不是因为产品存在 Golden Code（屎山），只要你选定了Arm Compiler 而不是IAR，既然横竖要使用付费编译器，为什么不用Arm例行维护（几乎每半年不到就发布一个新版本）的Arm Compiler 6，而继续死守Arm Compiler 5呢？

有的人说“Arm Compiler 6不如Arm Compiler 5”稳定。这里给出我的几个反驳的几个理由，但我不指望能说服那些抱有这类想法的人：

  • Arm Compiler 5已经停止维护，Arm Compiler 6还在持续更新。没有bug的编译器是不存在的，一个生命周期已经结束的编译器就几乎不在存在修复已有bug和未发现bug的可能性；而一个积极维护的编译器则可以及时的将发现的问题进行修复；
  • Arm Compiler 5过去只有Arm维护，而 Arm Compiler 6是基于LLVM（clang）的商业化改进版，这里LLVM是一个开源项目，由众多的个人和商业组织共同维护，参考过去gcc的成功——这么多“大聪明”在盯着的项目，即便发现错误，估计也是“分分钟”就被拿去“邀功请赏”了吧？
  • 虽然我在实际使用中抓到（报告并得到修复）的Arm Compiler 6 bug的数量超过在座99%的人，但正因如此，我知道要遇到一个Arm Compiler 6的bug有多难——更多时候，其实是我们自己对编译器理解不深刻，甚至是基于自己对C语法的错误认知导致的“乌龙”。在我看来，与其怀疑Arm Compiler 6不稳定，不如怀疑下自己对C语言的理解。
  • 不要屈服于由“未知带来的恐惧”，不要拿“污名化”当做掩盖自己“偷懒和无知”的遮羞布（对这句话感到愤怒的人，我送你一句：爱听不听，欢迎取关，谢谢）。

看到这里，如果你决定继续往下阅读，我就假设你已经有兴趣去尝试使用Arm Compiler 6 来逐步取代已有的 Arm Compiler 5了。基于这一前提，我们将用随后的一系列文章来介绍：

  • 短期内：MDK 5.37 抛弃 armcc 的补救措施
  • 中期：从 armcc 向 armclang 进行过渡时期的一些快速应对的方法
  • 面对一些 armcc 独有的编译器特性的应对方法吧

【临时补救】

虽然最新的 MDK 抛弃了Arm Compiler 5，但它仍然允许我们通过手动添加的方法将其请回来，具体方法我在《惊爆内幕：老MDK也可以使用新编译器》文章中已经详细介绍过，这里就不再赘述，值得补充说明的是：

1、新MDK也可以手工添加老版本的编译器，不要被文章的标题限制住了思路

2、Arm Compiler 5的下载链接如下：

https://developer.arm.com/downloads/-/legacy-compilers

【几颗定心丸】

1、“接头霸王”

我们知道MDK是一个集成开发环境（Integrated Development Environment），它默认原生支持Arm Compiler 5（armcc）、Arm Compiler 6（armclang）和 arm gcc。虽然这三个编译器都是由Arm所维护和提供的，但前两者算是彼此兼容的编译器：

  • 使用共同的 armlink
  • 使用相同的方式来描述地址空间布局（分散加载脚本 scatter script）
  • 从Arm Compiler 6.14开始，armclang甚至开始支持armasm的汇编语法了

实际上可以认为，armcc和armclang是一对连体兄弟，身子是armlink，而两个脑袋分别是 armcc 和 armclang。大约是这种感觉，你体会下。

作为定心丸的结论是：

  • 原来 Arm Compiler 5 项目下的所有库（*.lib）都可以在 Arm Compiler 6 下直接使用
  • 原来由 Arm Compiler 5 生成的对象文件（*.o）都可以在 Arm Compiler 6 下直接使用
  • 原来 Arm Compiler 5下所用到的“几乎所有” armlink 相关的特性都可以在 Arm Compiler 6 直接使用（因为基本就是同一个armlink，所以几乎不存在“移植”的说法）

当然，还是有一些特例的，比如 __attribute__((at(地址))) 语法，这个我们将出一个专题来介绍应对方式。

2、“偷懒是第一生产力”

由于 Arm Compiler 6 脱胎于LLVM，因此在汇编语法上它也继承了 clang 的特性——使用 GNU Assembly Syntax，而非 Arm 此前一直尝试推广的 Unified Assembly Language（UAL）汇编语法。

由于 Arm Compiler 5 一直使用的是 UAL 汇编语法，广大用户长时间来积累了大量使用该语法编写的 .s 文件。

汇编原本就是个头疼的东西——不到万不得已谁写汇编啊？对很多项目来说，且不说汇编原本就是少数大牛才敢碰的东西——几乎就是“Golden Code（屎山）”的代名词，实际上，这些“历史尘埃”的作者可能早就已经离职了——就算你把本人找回来，恐怕很多时候连当事人自己也是狗咬刺猬无法下嘴了。

尽管 Arm 专门写了一个名为《Migrating from armasm to the armclang Integrated Assembler》的文档来“教大家做事”，但社区的反馈可想而知……

文章链接如下：

https://developer.arm.com/documentation/100068/0618/Migrating-from-armasm-to-the-armclang-Integrated-Assembler?lang=en

在众多“我不想，你求我啊……”的声音中，Arm Compiler 6从 6.14版本开始，重新把 UAL 的支持加了回来，并在 MDK 中引入了这样一个选项：

这里几个选项的意义如下：

  • armclang（Auto Select）：使用 armclang 来编译汇编源代码（对应命令行选项 -masm=auto），然后armclang会根据语法风格自动决定是当做 GNU Assembly Syntax 来处理，还是使用 UAL 语法来解析。我吐血推荐使用这个选项。
  • armclang （GNU Syntax）：使用 armclang 来编译汇编源代码（对应命令行选项 -masm=gnu），然后强制使用 GNU 汇编语法风格。
  • armclang （Arm Syntax）：使用armclang来编译汇编源代码（对应命令行选项 -masm=armasm），然后强制使用 UAL 汇编语法风格。

其实，这里 armclang 也是个二道贩子——它也是调用 armasm 来完成编译的，只不过在这之前，它会默认用C预编译器对汇编源代码进行预处理，换句话说，折磨armasm很多年的“如何在汇编代码中使用C语言宏和预处理”的问题，得到了根治——你可以大大方方的在汇编代码里用 #include、各类宏定义和 #if 了。

  • armasm（Arm Syntax）：直接使用 armasm 来编译汇编源代码。该选项对 老的 UAL 源代码文件兼容性最好。如果使用 armclang（Arm Syntax）遇到问题，不妨用这个选项来试一下——一般都可以顺利解决问题。

怎么样，不用修改屎山了，是不是如释重负？

3、在线汇编（Inline Assembly）和嵌入C代码的汇编（Embedded Assembly）

无论你是否了解 Arm Compiler 5所支持的这两种在C语言中使用汇编的方法，也不用关心它们的区别，结论是——任何Arm Compiler 5下的C代码只要使用了上述两种方法之一，基本上就是“需要手工干预”的。

这里我给出一个万能药方：

对这部分C源文件，请使用 armcc 编译，生成 .o 后扔到 Arm Compiler 6里直接参与链接即可。

当然，如果你有兴趣依照前面文档里的介绍进行改写，我祝你好胃口。

至于如何让改写后的C代码同时兼容 Arm Compiler 5 和 Arm Compiler 6，就离不开下面的内容了——它也是我们后续一系列差异化改造的基础。

【如何检测编译器】

一般来说，当我们要对某一部分代码进行跨编译器移植的时候，当然可以按照新语法一改了之，但对很多人来说，老的编译器总是会让大家萌生一种说不上来的留念之情，

继而抱有：

“我要让修改后的代码仍然兼容过去老编译器”；

或是：

“老代码删除太可惜了，我要留下来，以后万一有用呢？”

这样的想法。我也是这么想的。

要做到这一点，就绕不开一个核心问题：如何可靠的检测出当前编译器版本呢？

一般来说，编译器的宏检测有两个思路：

  • 借助某一编译器独有的特征宏来判断编译器
  • 借助多个编译器共有但值不同的宏来判断

对于第一种思路，有两个比较有名的宏：__GNUC__ 和 __clang__ 。过去，很多人喜欢用下面的代码来判断编译环境是否是GCC或者CLANG：

代码语言：javascript复制
#if defined(__GNUC__)
    /* 我觉得编译器gcc */
#endif

#if defined(__clang__)
    /* 我觉得编译器是 clang */
#endif

然而，遗憾的是，由于很多编译器都在某种程度上对 GCC 扩展提供支持，因而也会定义宏__GNUC__，比如 armcc、armclang、clang、IAR都定义了该宏……因此，它几乎失去了GCC特征宏的价值，退化为“当前编译器支持GCC扩展（但具体哪些GCC扩展，这就看我心情了）”的标志。其实 __clang__ 宏也是类似的情况，因为 armclang 也会定义该宏，毕竟Arm Compiler 6是从LLVM中派生而出的。

当然，更为常见和有用的编译器特征宏是 __IAR_SYSTEMS_ICC__ ，借助它的帮助，我们可以判断当前开发环境是否为 IAR：

代码语言：javascript复制
//! note for IAR
#undef __IS_COMPILER_IAR__
#if defined(__IAR_SYSTEMS_ICC__)
#   define __IS_COMPILER_IAR__                  1
#endif

Arm Compiler 5 和 Arm Compiler 6 都是 Arm Compiler，区别它们二者有很多方法，但官方推荐的方法是判断宏 __ARMCC_VERSION 的值。从名字上就可以看出，这是一个自 armcc 以来一直延续到 armclang 的共有宏，它保存了编译器的版本，因此我们很容易编写出如下的宏：

代码语言：javascript复制
//! note for arm compiler 5
#undef __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_5__
#if ((__ARMCC_VERSION >= 5000000) && (__ARMCC_VERSION < 6000000))
#   define __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_5__       1
#endif
//! @}

//! note for arm compiler 6

#undef __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_6__
#if defined(__ARMCC_VERSION) && (__ARMCC_VERSION >= 6010050)
#   define __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_6__       1
#endif

#undef __IS_COMPILER_ARM_COMPILER__
#if defined(__IS_COMPILER_ARM_COMPILER_5__) && __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_5__   
||  defined(__IS_COMPILER_ARM_COMPILER_6__) && __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_6__

#   define __IS_COMPILER_ARM_COMPILER__         1

#endif

借助它们的帮助，我们可以很容易的通过判断 __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_5__ 和 __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_6__ 的值是否为“1”来确定当前的编译器版本。在只关心当前编译器是否为Arm Compiler，而不在乎它具体是哪个版本时，可以借助 __IS_COMPILER_ARM_COMPILER__ 来进行判断。

假设我们的代码只考虑支持 gcc、clang、iar、armcc和armclang，那么利用排除法，我们就可以轻松的判断当前编译环境是否是 GCC 或 LLVM了：

代码语言：javascript复制
#undef  __IS_COMPILER_LLVM__
#if defined(__clang__) && !__IS_COMPILER_ARM_COMPILER_6__
#   define __IS_COMPILER_LLVM__                 1
#else
//! note for gcc
#   undef __IS_COMPILER_GCC__
#   if defined(__GNUC__) && !(  defined(__IS_COMPILER_ARM_COMPILER__)           
                            ||  defined(__IS_COMPILER_LLVM__)                   
                            ||  defined(__IS_COMPILER_IAR__))
#       define __IS_COMPILER_GCC__              1
#   endif
//! @}
#endif

简单说一下这里的思路：

1、在排除了 Arm Compiler 6 的前提下，根据 __clang__ 来判断当前编译器是否为 LLVM（即：__IS_COMPILER_LLVM__）；

2、在排除了 LLVM、Arm Compiler 和IAR的前提下，根据 __GNUC__ 来判断当前编译器是否为 GCC

为了方便大家理解，下面介绍几个上述宏的应用场景：

  • 如何在 Arm Compiler 6 下告知编译器 main() 函数不带输入参数

默认情况下（使用默认的 libc），Arm Compiler 6会认为 main() 函数是带有标准的输入参数的：

代码语言：javascript复制
int main (int argc, char *argv[]);

哪怕你强行把 main() 函数写成无需输入参数的情况，编译器也还是会准备好参数——而准备参数的过程很有可能会导致 hardfault（这里会涉及到semihosting的问题，比较头疼，暂时不表）。为了解决这一问题，我们一般这么做：

代码语言：javascript复制
#if __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_6__
__asm(".global __ARM_use_no_argvnt");
#endif

又因为 MicroLib 不存在该问题，因为我们可以根据（MDK会追加的一个宏）__MICROLIB，来做一个小小的区分：

代码语言：javascript复制
#if __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_6__
#   ifndef __MICROLIB
__asm(".global __ARM_use_no_argvnt");
#   endif
#endif

也就是当且仅当我们使用 Arm Compiler 6，且不使用MicroLib的时候，通过专门的语法结构来告诉编译器：main() 函数没有传入参数。

  • 如何关闭 Semihosting

你有没有遇到过这样神奇的情景：在调试模式下，程序可以正常运行；一旦退出调试模式，系统就死机了，重新进入调试模式后，发现系统进入了Hardfault。恭喜你，这很可能就是（默认开启的）semihosting 在作怪。关于Semihosting的内容，篇幅过大，不在本文讨论之列。今天我们只介绍一下如何关闭它。

Arm Compiler 5和Arm Compiler 6关闭 Semihosting的方法是不同的：

代码语言：javascript复制
#if __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_6__
    __asm(".global __use_no_semihosting");
#elif __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_5__
    #pragma import(__use_no_semihosting)
#endif

一旦关闭了 Semihosting，Arm Compiler 6 就可能会报告类似如下的错误：

代码语言：javascript复制
Error: L6915E: Library reports error: __use_no_semihosting was requested, but _sys_exit was referenced

简单解释下原因：Arm Compiler 6 依赖的一个函数 _sys_exit() 原本是用Semihosting方式默认提供的，现在你把 Semihosting 关闭了，所以你要负责到底。知道了原因，解决方法也很简单——缺这个函数，我们提供一个就行：

代码语言：javascript复制
#if __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_6__
void _sys_exit(int ret)
{
    (void)ret;
    while(1) {}
}
#endif

类似的情况还会发生在一个叫 _ttywrch() 的函数上，我们可以如法炮制：

代码语言：javascript复制

/* 为 arm compiler 5 和 arm compiler 6 都添加这个空函数 */
#if __IS_COMPILER_ARM_COMPILER__
void _ttywrch(int ch)
{
    ARM_2D_UNUSED(ch);
}
#endif
  • 如何解决使用 assert.h 引发的问题

很多代码都有使用 assert() 来截获错误的习惯，当我们使用 Arm Compiler 6 且开启 MicroLib的时候，由于 MicroLib并不提供对 assert() 底层函数的具体实现，当我们没有定义 NDEBUG 来关闭 assert() 时，会在链接阶段看到如下的编译错误：

代码语言：javascript复制
Error: L6218E: Undefined symbol __aeabi_assert (referred from main.o).

知道原因后，解决也很简单：既然MicroLib没提供实现，我们就自己提供一个好了：

代码语言：javascript复制
#if __IS_COMPILER_ARM_COMPILER_6__ && defined(__MICROLIB)
void __aeabi_assert(const char *chCond, const char *chLine, int wErrCode) 
{
    (void)chCond;
    (void)chLine;
    (void)wErrCode;
    
    while(1) {
        __NOP();
    }
}
#endif

既然上述这套 __IS_COMPILER_xxxx__ 这么好用，我们可以从哪里获得呢？

目前已知的获取渠道包括但不限于：

  • 从本文抄下来
  • 包含获取perf_counter 并包含 perf_counter.h
  • 在存在 arm-2d 的情况下，直接包含 arm_2d.h 或者 arm_2d_utils.h

……

【说在后面的话】

我承认 Arm Compiler 5 迁移到 Arm Compiler 6 不是一个轻松的过程，但也绝非大家想象的那样痛苦，很多时候，也许只是在 MDK 中更换一个选项那么简单：

不试一试怎么知道呢？

对主流芯片大厂，比如 ST和NXP来说，它们的库早就完成了对 Arm Compiler 6的支持，可以说如果你遇到编译器兼容问题，应该首先考虑下载最新版本的驱动库。

本文介绍的方法，基本上可以应对常见的从Arm Compiler 5到 Arm Compiler 6可能遇到的问题。这当然不是一份万能的解药，对于一些特殊的情况，我们将在后续文章中进行专题讨论。

最后附上各类编译器的下载链接：

Arm Compiler 5：

https://developer.arm.com/downloads/-/legacy-compilers

Arm Compiler 6：

https://developer.arm.com/downloads/-/arm-compiler-for-embedded

Arm GCC：

https://developer.arm.com/tools-and-software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/downloads

LLVM Embedded ToolChain for Arm 14.0.0

https://github.com/ARM-software/LLVM-embedded-toolchain-for-Arm/releases

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