■ コラム(10章のp.249に挿入)「グローバル・ポインタの利用」

----------------------------------------------------------------
OSのカーネルのビルドなどで，まれに _SDA_BASE_ というシンボルが無く
リンクエラーになることがあります．これはいったい，どのようなシンボル
なのでしょうか？

OSのカーネルのリンカ・スクリプトなどを見ていると，
_SDA_BASE_ というシンボルが定義されているのを多く見かけます．
多くは以下のような定義になっています．

-------- ここから
.data : {
        *(.data)
}

_SDA_BASE_ = . + 0x7ff0;

.sdata : {
        *(.sdata)
}

.sbss : {
        *(.sbss)
}

.bss : {
        *(.bss)
        *(COMMON)
}
-------- ここまで

これは，グローバル・ポインタを利用した高速化のためです．
RISC系のCPUでは，アドレスを直接指定してメモリを読み書きすることは
できません．このため変数の値を読み書きしようとすると

・変数のアドレスをレジスタに代入し，
・レジスタの指す先のメモリを読み書きする．

という２つの操作が必要になります．

これを変数ごとに毎回行うのはコストがかかるため，データ領域を固定で常に
指しているレジスタをひとつ決め，そのレジスタの指す先にインデックス値を
加えた位置を読み書きする(ディスプレースメント付きレジスタ間接参照)
ことで，アドレス設定のコストを削減する方法があります．
このためのレジスタを一般に「ベース・レジスタ」「グローバル・ポインタ」
などと呼びます．

グローバル・ポインタを利用するには，以下の操作を行う必要があります．

・プログラムは -msdata を指定してコンパイルする．

・リンカ・スクリプト中で .sdata, .sbss というセクションを定義し，
  _SDA_BASE_ というシンボルをその付近で定義する．

・プログラムの起動時にグローバル・ポインタとなるレジスタに
  _SDA_BASE_ のアドレスを設定する．

オプションに -msdata を指定してコンパイルすると，コンパイラは
グローバル・ポインタを利用して変数参照するコードを作成します．
しかしリンクの際には，グローバル・ポインタの指す位置に対する
当該の変数のアドレスのオフセット値を，ディスプレースメント値として
補填する必要があります．ところが実際に動作する際のグローバル・ポインタの
値をリンカは知ることができないため，_SDA_BASE_ というシンボルを定義し，
_SDA_BASE_ からのオフセット値として計算します．プログラムの動作開始時には
グローバル・ポインタとなるレジスタに _SDA_BASE_ のアドレスを設定する
ことで，辻褄が合うことになります．

実際の変数参照は，グローバル・ポインタに対するディスプレースメント値加算に
よって行われます．よって，参照できるアドレスの範囲に制限があります
(CPU依存ですが，通常，グローバル・ポインタに対して±32KB程度です)．

このため，グローバル・ポインタを利用してアクセスする変数は .sdata, .sbss
というセクションに集めるようにします．
この際，なるべくならサイズの小さい変数を優先的に集めたほうが，たくさんの
変数を格納できてグローバル・ポインタを効率利用できるので，コンパイル時に
-G というオプションで，.sdata, .sbss セクションに格納する変数のサイズ上限を
指定することができます．また .sdata, .sbss は隣合わせて配置し，
その先頭で

-------- ここから
_SDA_BASE_ = . + 0x7ff0;
-------- ここまで

などのようにして，ロケーション・カウンタに 0x7ff0 や 0x8000 を加算した
値として _SDA_BASE_ を定義します．これはディスプレースメント値の指定が
正負の値になるため，グローバル・ポインタによってアクセスできる範囲を
最大限まで利用できるように，アクセス可能範囲の先頭に .sdata の先頭が
来るように調整しているためです．

なお PowerPC では GPR13 をグローバル・ポインタとして利用するように
ABIで定義されています．MIPSでは28番レジスタがグローバル・ポインタとして
利用され，GPという別名が付けられています．
----------------------------------------------------------------