2. 编译器优化：GCC编译选项与链接器脚本

说到内存优化，很多人第一反应是「换更小的芯片」。其实不然。我见过太多项目，芯片选型时留了50%余量，最后却因为固件膨胀不得不换大一号的MCU。说白了，编译器才是你手里最趁手的工具，只是很多人没用对。

这一节，我们聊聊GCC的编译选项、链接器脚本，以及如何把没用的代码段从固件里踢出去。

2.1 GCC编译选项：-Os 与 -Oz

GCC的优化等级有很多：-O0、-O1、-O2、-O3、-Os，还有嵌入式领域特有的-Oz。你可能会问：「这么多，我该用哪个？」

我的建议是：量产固件用 -Os，极端空间受限用 -Oz。

我在一个STM32G030的项目里遇到过这种情况：用-Os编译，固件32KB；换成-Oz，直接降到26KB。少了6KB，对于64KB Flash的芯片来说，就是多了10%的余量。当然，代价是某些循环慢了大约15%。但说实话，对于大部分控制类应用，用户根本感觉不到。

2.1.1 常用编译选项组合

我个人习惯在Makefile里这样写：

# 调试版本
CFLAGS_DEBUG = -O0 -g3 -Wall -Wextra

# 发布版本（尺寸优化）
CFLAGS_RELEASE = -Os -flto -ffunction-sections -fdata-sections

# 极致尺寸版本（慎用）
CFLAGS_TINY = -Oz -flto -ffunction-sections -fdata-sections \
              -fomit-frame-pointer -fno-unroll-loops

2.2 链接器脚本优化

链接器脚本（.ld文件）是很多人忽略的角落。你想想看，编译器已经把代码优化得很小了，但链接器如果没配好，照样会把一堆垃圾塞进固件。

我曾经接手过一个项目，同事用了默认的链接脚本，结果固件里包含了完整的C库启动代码，光是 .init 和 .fini 段就占了2KB。对于只有16KB Flash的芯片，这简直是浪费。

2.2.1 去除未使用段

链接器脚本里，最关键的是 KEEP 和 DISCARD 指令：

/* 在SECTIONS块中 */
SECTIONS
{
    /* 只保留需要的段 */
    .text : {
        *(.text*)
        *(.rodata*)
    } > FLASH

    /* 明确丢弃不需要的段 */
    /DISCARD/ : {
        *(.comment)
        *(.note*)
        *(.ARM.attributes)
        *(.init)
        *(.fini)
        *(.preinit_array)
        *(.init_array)
        *(.fini_array)
    }
}

2.2.2 内存布局优化

链接器脚本还能帮你做内存布局优化。比如，把频繁访问的变量放到SRAM的高地址，减少指令寻址开销：

MEMORY
{
    FLASH (rx)  : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 64K
    SRAM  (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 20K
    SRAM2 (rw)  : ORIGIN = 0x20005000, LENGTH = 4K
}

SECTIONS
{
    /* 快速变量放到SRAM2 */
    .fast_data : {
        *(.fast_data*)
    } > SRAM2 AT > FLASH

    /* 普通变量放到SRAM */
    .data : {
        *(.data*)
    } > SRAM AT > FLASH
}

嗯，这里要注意：AT > FLASH 表示初始化数据在Flash里存着，运行时再拷贝到SRAM。这个拷贝过程由启动代码完成，别漏了。

2.3 去除未使用段：从源头到终点

去除未使用段，不是链接器一个人的事。它需要编译器、链接器、还有你——开发者，三方配合。

我画了一张图，帮你理清整个流程：

2.4 实战：一个完整的优化案例

拿我之前做的一个温控器项目来说。原始固件用 -O0 编译，大小是 48KB。目标芯片只有 32KB Flash，必须优化。

第一步：改成 -Os + -flto + -ffunction-sections，固件降到 31KB。嗯，刚好卡在边界上，不保险。

第二步：检查链接器脚本，发现保留了完整的 newlib 标准库。我换成了 --specs=nano.specs 和 --specs=nosys.specs，又省了 3KB。

第三步：在链接脚本里加了 /DISCARD/ 段，去掉 .comment 和 .ARM.attributes，再省 0.5KB。

最终固件 27.5KB，留了 4.5KB 余量。整个过程没改一行业务代码。

# 查看各段大小
arm-none-eabi-size firmware.elf

# 查看具体符号大小（找「胖子」）
arm-none-eabi-nm --size-sort firmware.elf | tail -20

# 查看段详细信息
arm-none-eabi-objdump -h firmware.elf

2.5 避坑指南

优化虽好，但别踩坑。我总结了几条经验：

• 不要对调试版本用 -Oz——优化后的代码跟源码行号对不上，调试时断点乱跳，你会疯的。
• 检查中断向量表——有些MCU的启动文件里，所有中断都给了默认的弱符号。如果你没实现某个中断，链接器不会报错，但那个弱符号会占空间。
• 小心递归——-Oz 可能会把递归函数展开成循环，如果栈空间本来就不够，直接跑飞。
• 我曾经遇到过：用 -Oz 编译后，一个延时函数从 1ms 变成了 3ms，导致I2C通信时序出错。排查了两天才发现是编译器把循环展开策略改了。