[keil]32KBの壁はどこにある？

「keilのフリー版は32KB制限がありますよね」という記事を書いていたのだが、読んでくださった方々から情報をいただいた。
ありがたやありがたや。
私があんまり社交的じゃないためか、このブログはマイナーなんですよ。
ときどき、閉鎖して本業に集中しようかとも思うけど、見てくださる方がいるのであれば、もうちょっと続けようかという感じでやっとります。

---

さて、本題。

hiro99ma blog: [ble]BLEモジュールを使った場合のがんばりどころは？

コメントをいただいた中で、誰もが「32KBを超えても大丈夫だった」ということだった(2人しかコメントがないが、これを「誰もが」と書くことで、すごく多くの人がコメントをくれたようなイメージを与えるテクニックだ)。

では、試してみなくてはならぬ。

まず、32KB、がどこを指しているのか。
ARM KEIL組み込み開発システム 統合開発環境 <MDK-ARM 正規代理店>｜横河ディジタルコンピュータ株式会社
こちらの表を見ると、デバッガ、シミュレータ、そしてコンパイラが32KBとのこと。
しかし、コンパイルのどこら辺が32KBかは、見てもわからない。

セカンド・オピニオン (412) MCUで遊ぼう Part2 (3) | マイナビニュース
これを読むと、コード/データが32KBとある。
プログラムは基本的にROMとRAMの2つに分かれるが、ROMもデータとプログラムに分かれる。
RAMも、初期値があるものと、ないものに分かれる。
初期値があるものは、その初期値自体はROMに置かれることになる。じゃないと、初期値を保持しておくところがないからね。
C言語では、初期値を持つ変数というのは、staticなものしかない。
そのstaticな変数の中でも、初期値を代入しているものは「初期値あり」だが、代入していないものは「ゼロ」になる。
だから、staticな変数であっても、初期値の有無でROMのサイズが変わってくる。

なんでこんなことをごにゃごにゃ書いたかというと、32KBのROMをどうやったら作り出せるか、ということを考えていたからだ。
プログラムを書いて32KB作るのは、けっこう難しい。
できれば、var[32768]みたいな感じで、楽に32KBを作りたい。
でも、staticとかvolatileとかつけても、単に宣言しただけだとRAM領域の話になるので、コードサイズにならない。
初期値がないから、ゼロになるだけだ。
私が見たことのあるコンパイラだと、main()が呼ばれる前にmemset()とか、あるいはアセンブラなどでゼロ埋めするものがほとんどだったが、オプションによってゼロ埋めする処理すら省略するものもあった。

我々が求めているのは、ゼロ以外の初期値を持つ変数だ。
そうなると、初期値の部分がROMに配置されるので、今回のコードサイズ制限を調べるのに役立つ。

#include <nrf51.h>
#include <stdint.h>
#define FILL16 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16
#define FILL256 FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16
#define FILL1K FILL256,FILL256,FILL256,FILL256
static const uint8_t mem[256 * 1024 * 1024] = {
    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,
    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K
};
int main(void)
{
    uint8_t jan = mem[256];
    __wfe();
    return 0;
}

16byteのFILL16を、16個並べたFILL256を、4つ配置。これでFILL1K。
とりあえずエラーを見てみたいので、これを16個並べたら、16KBだからよさそうだけど、エラーになった。

Build target 'Target 1'
compiling main_32k.c...
main_32k.c(15): warning:  #177-D: variable "jan" was declared but never referenced
        uint8_t jan = mem[256];
main_32k.c: 1 warning, 0 errors
linking...
.\Objects\test.axf: error: L6047U: The size of this image (268436284 bytes) exceeds the maximum allowed for this version of the linker
Finished: 0 information, 0 warning, 0 error and 1 fatal error messages.
".\Objects\test.axf" - 1 Error(s), 1 Warning(s).
Target not created.

でたー。
これが、maximumなエラーメッセージらしい。
少し満足。

まあ、256 * 1024 * 1024だと、どの環境でもエラーになりそうよねぇ、ということで、32KB制限近くでやってみた。

#include <nrf51.h>
#include <stdint.h>
#define FILL16 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16
#define FILL256 FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16
#define FILL1K FILL256,FILL256,FILL256,FILL256
static const uint8_t mem[31 * 1024] = {
    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,
    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K
};
int main(void)
{
    uint8_t jan = mem[256];
    __wfe();
    return 0;
}

これのビルド結果は、こう。

Rebuild target 'Target 1'
compiling main_32k.c...
main_32k.c(15): warning:  #177-D: variable "jan" was declared but never referenced
        uint8_t jan = mem[256];
main_32k.c: 1 warning, 0 errors
assembling arm_startup_nrf51.s...
compiling system_nrf51.c...
linking...
Program Size: Code=598 RO-data=31970 RW-data=4 ZI-data=4196  
FromELF: creating hex file...
".\Objects\test.axf" - 0 Error(s), 1 Warning(s).

この、memの31を32にすると、リンクエラーになった。

Rebuild target 'Target 1'
compiling main_32k.c...
main_32k.c(15): warning:  #177-D: variable "jan" was declared but never referenced
        uint8_t jan = mem[256];
main_32k.c: 1 warning, 0 errors
assembling arm_startup_nrf51.s...
compiling system_nrf51.c...
linking...
.\Objects\test.axf: error: L6047U: The size of this image (33596 bytes) exceeds the maximum allowed for this version of the linker
Finished: 0 information, 0 warning, 0 error and 1 fatal error messages.
".\Objects\test.axf" - 1 Error(s), 1 Warning(s).
Target not created.

こっちが、warningだけだったコード。

#include <nrf51.h>
#include <stdint.h>
#define FILL16 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16
#define FILL256 FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16
#define FILL1K FILL256,FILL256,FILL256,FILL256
static const uint8_t mem[31 * 1024] = {
    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,
    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K
};
int main(void)
{
    uint8_t jan = mem[256];
    __wfe();
    return 0;
}

こっちが、エラーになったコード。

#include <nrf51.h>
#include <stdint.h>
#define FILL16 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16
#define FILL256 FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16,FILL16
#define FILL1K FILL256,FILL256,FILL256,FILL256
static const uint8_t mem[32 * 1024] = {
    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,
    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K,    FILL1K
};
int main(void)
{
    uint8_t jan = mem[256];
    __wfe();
    return 0;
}

違いは、memの添字になっている値が、31か32か、だ。

こうやって見る分には、ちゃんと32KBで制限がかかっていると感じます。

---

翌日。
飲みながら調べると、なんかいろいろ馬鹿なことやってるなー、と反省(したふり)。

リンクができる境界を調べて、以下のソースになった。
配列の202を203にすると、リンクエラーになる。

static const unsigned char mem[31 * 1024 + 202] = {0};
int main(void)
{
    return mem[0];
}

mapファイルのお尻だけ拾うと、こんな感じ。

      Code (inc. data)   RO Data    RW Data    ZI Data      Debug   
       594         88      32170          4       4196       7352   Grand Totals
       594         88      32170          4       4196       7352   ELF Image Totals
       594         88      32170          4          0          0   ROM Totals
==============================================================================
    Total RO  Size (Code + RO Data)                32764 (  32.00kB)
    Total RW  Size (RW Data + ZI Data)              4200 (   4.10kB)
    Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)      32768 (  32.00kB)

配列の要素数は、1024 * 31 + 202だから、31946。
mapでは32170になってるから、あと224バイトはコード以外のROMデータがあるらしい。

      Code (inc. data)   RO Data    RW Data    ZI Data      Debug   Object Name
        84         36        192          0       4096        648   arm_startup_nrf51.o
        12          6      31946          0          0       2055   main_32k.o
       232         30          0          4          0       4241   system_nrf51.o
    ----------------------------------------------------------------------
       328         72      32170          4       4096       6944   Object Totals
         0          0         32          0          0          0   (incl. Generated)
         0          0          0          0          0          0   (incl. Padding)

incl. Generated、というのが32バイトあるらしい。
ARMのヘルプを見ると、これはリンカが生成したオブジェクトらしい。

ともかく、うちで試した限りでは32KB制限というのは発生していることが確認できた。

 

{0}なのに初期値ありとみなされるんだ、というのが多少ショックだった。
前見たコンパイラは、{n}のような感じでnに数値を入れるとmemset(0)で勝手に0初期化してたのだ。
組込用のコンパイラだったから、それを正とみなしてたらいかん、という教訓を得た。