寫在前面的話，由于已經(jīng)學(xué)習(xí)了JZ2440V3開發(fā)板的裸機(jī)程序。想檢驗(yàn)下學(xué)習(xí)成果，所以從今天開始把以前學(xué)的知識(shí)點(diǎn)在tiny4412開發(fā)板上面做個(gè)檢驗(yàn)。裸機(jī)部分學(xué)習(xí)到把uboot移植完成就結(jié)束；然后，學(xué)習(xí)內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)和其他子系統(tǒng)框架。言歸正傳，現(xiàn)在開始學(xué)習(xí)交叉編譯工具鏈的使用。

源文件需要經(jīng)過編譯才能生成可執(zhí)行文件。在Windows下進(jìn)行開發(fā)時(shí)，只需要點(diǎn)幾個(gè)按鈕即可編譯，集成開發(fā)環(huán)境(比如 Visual studio)已經(jīng)將各種編譯工具的使用封裝好了。

Linux下也有很優(yōu)秀的集成開發(fā)工具，但是更多的時(shí)候是直接以命令方式運(yùn)行編譯工具；即使使用集成開發(fā)工具，也需要掌握一些編譯選項(xiàng)。

PC機(jī)上的編譯工具鏈為gcc、 ld、 objcopy、 objdump等，它們編譯出來的程序在x86平臺(tái)上運(yùn)行。要編譯出能在ARM平臺(tái)上運(yùn)行的程序，必須使用交叉編譯工具arm-linux-gcc、arm-linux-ld等，下面分別介紹。

1.arm-linux-gcc工具介紹

一個(gè) C/C++文件要經(jīng)過預(yù)處理(preprocessing)、編譯(compilation)、匯編(assembly)和連接(linking)等4步才能變成可執(zhí)行文件，如表1.1所示。在日常交流中通常使用"編譯"統(tǒng)稱這4個(gè)步驟，如果不是特指這4個(gè)步驟中的某一個(gè)，本書也依慣例使用"編譯"這個(gè)統(tǒng)稱。

1.1.預(yù)處理

C/C++源文件中，以"#"開頭的命令被稱為預(yù)處理命令，如包含命令"#include"、宏定義命令"#define"、條件編譯命令"#if"、"#ifdef"等。預(yù)處理就是將要包含(include)的文件插入原文件中、將宏定義展開、根據(jù)條件編譯命令選擇要使用的代碼，最后將這些東西輸出到一個(gè)".i"文件中等待進(jìn)一步處理。預(yù)處理將用到arm-linux-cpp工具。

1.2.編譯

編譯就是把 C/C++代碼(比如上述的".i"文件)"翻譯"成匯編代碼，所用到的工具為cc1(它的名字就是 cc1，不是 arm-linux-cc1)。

1.3.匯編

匯編就是將第二步輸出的匯編代碼翻譯成符合一定格式的機(jī)器代碼，在Linux系統(tǒng)上一般表現(xiàn)為ELF目標(biāo)文件(OBJ文件)，用到的工具為arm-linux-as。"反匯編"是指將機(jī)器代碼轉(zhuǎn)換為匯編代碼，這在調(diào)試程序時(shí)常常用到。

1.4.連接

連接就是將上步生成的OBJ文件和系統(tǒng)庫的OBJ文件、庫文件連接起來，最終生成了可以在特定平臺(tái)運(yùn)行的可執(zhí)行文件，用到的工具為arm-linux-ld。

編譯器利用這4個(gè)步驟中的一個(gè)或多個(gè)來處理輸入文件，源文件的后綴名表示源文件所用的語言，后綴名控制著編譯器的缺省動(dòng)作，如表1.1。

其他后綴名的文件被傳遞給連接器(linker)，通常包括：

o：目標(biāo)文件(Object file，OBJ文件)

a：歸檔庫文件(Archive file)

在編譯過程中，除非使用了"-c"，"-S"或"-E"選項(xiàng)(或者編譯錯(cuò)誤阻止了完整的過程)，否則最后的步驟總是連接。在連接階段中，所有對應(yīng)于源程序的.o文件，"-l"選項(xiàng)指定的庫文件，無法識(shí)別的文件名(包括指定的".o"目標(biāo)文件和".a"庫文件)按命令行中的順序傳遞給連接器。

以一個(gè)簡單的"Hello, world!" C程序?yàn)槔拇a如下，功能為打印"Hello World!"字符串。

/* File: hello.c */

#include

int main(int argc, char *argv[])

{

printf("Hello World!n");

return 0;

}

使用arm-linux-gcc，只需要一個(gè)命令就可以生成可執(zhí)行文件hello，它包含了上述4個(gè)步驟：

arm-linux-gcc -o hello hello.c

加上"-v"選項(xiàng)， 即使用"arm-linux-gcc -v -o hello hello.c"命令可以觀看編譯的細(xì)節(jié)，下面摘取關(guān)鍵部分：

cc1 hello.c -o /tmp/cctETob7.s

as -o /tmp/ccvv2KbL.o /tmp/cctETob7.s

collect2 -o hello crt1.o crti.o crtbegin.o /tmp/ccvv2KbL.o crtend.o crtn.o

以上3個(gè)命令分別對應(yīng)于編譯步驟中的預(yù)處理、編譯、匯編和連接， ld被collect2調(diào)用來連接程序。預(yù)處理和編譯被放在了一個(gè)命令(cc1)中進(jìn)行的，可以把它再次拆分為以下兩步：

cpp -o hello.i hello.c

cc1 hello.i -o /tmp/cctETob7.s

可以通過各種選項(xiàng)來控制arm-linux-gcc的動(dòng)作，下面介紹一些常用的選項(xiàng)：

總體選項(xiàng)：

-c選項(xiàng)：預(yù)處理、編譯和匯編源文件，但是不作連接，編譯器根據(jù)源文件生成OBJ文件。缺省情況下，GCC通過用".o"替換源文件名的后綴".c"，".i"，".s"等，產(chǎn)生OBJ文件名?？梢允褂?o選項(xiàng)選擇其他名字。GCC忽略-c選項(xiàng)后面任何無法識(shí)別的輸入文件。

-S選項(xiàng)：編譯后即停止，不進(jìn)行匯編。對于每個(gè)輸入的非匯編語言文件，輸出結(jié)果是匯編語言文件。缺省情況下，GCC通過用".s"替換源文件名后綴".c"，".i"等等，產(chǎn)生匯編文件名?？梢允褂?o選項(xiàng)選擇其他名字。GCC忽略任何不需要匯編的輸入文件。

-E選項(xiàng)：預(yù)處理后即停止，不進(jìn)行編譯。預(yù)處理后的代碼送往標(biāo)準(zhǔn)輸出。GCC忽略任何不需要預(yù)處理的輸入文件。

-o選項(xiàng)：指定輸出文件為file。無論是預(yù)處理、編譯、匯編還是連接，這個(gè)選項(xiàng)都可以使用。如果沒有使用'-o'選項(xiàng)，默認(rèn)的輸出結(jié)果是：可執(zhí)行文件為'a.out'；修改輸入文件的名稱是'source.suffix'，則它的OBJ文件是'source.o'，匯編文件是'source.s'，而預(yù)處理后的C源代碼送往標(biāo)準(zhǔn)輸出。

-v選項(xiàng)：顯示制作GCC工具自身時(shí)的配置命令；同時(shí)顯示編譯器驅(qū)動(dòng)程序、預(yù)處理器、編譯器的版本號(hào)。

以一個(gè)程序?yàn)槔?，它包含三個(gè)文件，下面列出源碼：

//File: main.c

#include

#include "sub.h"

int main(int argc, char *argv[])

{

int i;

printf("Main fun!n");

sub_fun();

return 0;

}

//File: sub.h

void sub_fun(void);

//File: sub.c

void sub_fun(void)

{

printf("Sub fun!n");

}

arm-linux-gcc、arm-linux-ld等工具與gcc、ld等工具的使用方法相似，很多選項(xiàng)是一樣的。本節(jié)使用gcc、ld等工具進(jìn)行編譯、連接，這樣可以在PC上直接看到運(yùn)行結(jié)果。使用上面介紹的選項(xiàng)進(jìn)行編譯，命令如下：

$ gcc -c -o main.o main.c

$ gcc -c -o sub.o sub.c

$ gcc -o test main.o sub.o

其中，main.o、sub.o是經(jīng)過了預(yù)處理、編譯、匯編后生成的OBJ文件，它們還沒有被連接成可執(zhí)行文件；最后一步將它們連接成可執(zhí)行文件test，可以直接運(yùn)行以下命令：

$ ./test

Main fun!

Sub fun!

現(xiàn)在試試其他選項(xiàng)，以下命令生成的main.s是main.c的匯編語言文件：

gcc -S -o main.s main.c

以下命令對main.c進(jìn)行預(yù)處理，并將得到的結(jié)果打印出來。里面擴(kuò)展了所有包含的文件、所有定義的宏。在編寫程序時(shí)，有時(shí)候查找某個(gè)宏定義是非常繁瑣的事，可以使用'-dM –E'選項(xiàng)來查看。命令如下：

$ gcc -E main.c

警告選項(xiàng)：

-Wall選項(xiàng)：這個(gè)選項(xiàng)基本打開了所有需要注意的警告信息，比如沒有指定類型的聲明、在聲明之前就使用的函數(shù)、局部變量除了聲明就沒再使用等。 

上面的main.c文件中，第6行定義的變量i沒有被使用，但是使用"gcc –c –o main.o main.c"進(jìn)行編譯時(shí)并沒有出現(xiàn)提示。

可以加上-Wall選項(xiàng)，例子如下：

$ gcc -Wall -c main.c

執(zhí)行上述命令后，得到如下警告信息：

main.c: In function `main':

main.c:6: warning: unused variable `i

這個(gè)警告雖然對程序沒有壞的影響，但是有些警告需要加以關(guān)注，比如類型匹配的警告等。

調(diào)試選項(xiàng)：

-g選項(xiàng)：以操作系統(tǒng)的本地格式(stabs，COFF，XCOFF，或DWARF)產(chǎn)生調(diào)試信息，GDB能夠使用這些調(diào)試信息。在大多數(shù)使用stabs格式的系統(tǒng)上，'-g'選項(xiàng)加入只有GDB才使用的額外調(diào)試信息?？梢允褂孟旅娴倪x項(xiàng)來生成額外的信息：'-gstabs+'，'-gstabs'，'-gxcoff+'，'-gxcoff'，'-gdwarf+'或'-gdwarf'，具體用法請讀者參考GCC手冊。

優(yōu)化選項(xiàng)：

-O或-O1選項(xiàng)：優(yōu)化：對于大函數(shù)，優(yōu)化編譯的過程將占用稍微多的時(shí)間和相當(dāng)大的內(nèi)存。不使用"-O"或"-O1"選項(xiàng)的目的是減少編譯的開銷，使編譯結(jié)果能夠調(diào)試、語句是獨(dú)立的；如果在兩條語句之間用斷點(diǎn)中止程序，可以對任何變量重新賦值，或者在函數(shù)體內(nèi)把程序計(jì)數(shù)器指到其他語句，以及從源程序中精確地獲取你所期待的結(jié)果。

-O2選項(xiàng)：多優(yōu)化一些。除了涉及空間和速度交換的優(yōu)化選項(xiàng)，執(zhí)行幾乎所有的優(yōu)化工作。例如不進(jìn)行循環(huán)展開(loop unrolling)和函數(shù)內(nèi)嵌(inlining)。和'-O'或'-O1'選項(xiàng)比較，這個(gè)選項(xiàng)既增加了編譯時(shí)間，也提高了生成代碼的運(yùn)行效果。

-O3選項(xiàng)：優(yōu)化的更多。除了打開-O2所做的一切，它還打開了-finline-functions選項(xiàng)。 

-O0選項(xiàng)：不優(yōu)化。

如果指定了多個(gè)-O選項(xiàng)，不管帶不帶數(shù)字，生效的是最后一個(gè)選項(xiàng)。在一般應(yīng)用中，經(jīng)常使用-O2選項(xiàng)，比如對于options程序：

$ gcc -O2 -c -o main.o main.c

$ gcc -O2 -c -o sub.o sub.c

$ gcc -o test main.o sub.o

連接器選項(xiàng)：

下面的選項(xiàng)用于連接OBJ文件，輸出可執(zhí)行文件或庫文件。

object-file-name選項(xiàng)：如果某些文件沒有特別明確的后綴(a special recognized suffix)，GCC就認(rèn)為他們是OBJ文件或庫文件(根據(jù)文件內(nèi)容,連接器能夠區(qū)分 OBJ 文件和庫文件)。如果GCC執(zhí)行連接操作，這些OBJ文件將成為連接器的輸入文件。

比如上面的"gcc -o test main.o sub.o"中，main.o、sub.o就是輸入的文件。

-llibrary選項(xiàng)：連接名為library的庫文件。連接器在標(biāo)準(zhǔn)搜索目錄中尋找這個(gè)庫文件，庫文件的真正名字是'liblibrary.a'。搜索目錄除了一些系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)目錄外，還包括用戶以'-L'選項(xiàng)指定的路徑。

目錄選項(xiàng)：

下列選項(xiàng)指定搜索路徑，用于查找頭文件，庫文件，或編譯器的某些成員。

-Idir選項(xiàng)：在頭文件的搜索路徑列表中添加dir目錄。

頭文件的搜索方法為：如果以"#include<>"包含文件，則只在標(biāo)準(zhǔn)庫目錄開始搜索(包括使用-Idir選項(xiàng)定義的目錄)；如以"#include “” "包含文件，則先從用戶的工作目錄開始搜索，再搜索標(biāo)準(zhǔn)庫目錄。

1.2.arm-linux-ld工具介紹

arm-linux-ld用于將多個(gè)目標(biāo)文件、庫文件連接成可執(zhí)行文件，它的大多數(shù)選項(xiàng)已經(jīng)在上面介紹過了。

本小節(jié)介紹'-T'選項(xiàng)，可以直接使用它來指定代碼段、數(shù)據(jù)段、bss段的起始地址，也可以用來指定一個(gè)連接腳本，在連接腳本中進(jìn)行更復(fù)雜的地址設(shè)置。

'-T'選項(xiàng)只在連接Bootloader、內(nèi)核等“沒有底層軟件支持”的軟件；連接運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序時(shí)，無需指定`-T’ 選項(xiàng)，它們使用默認(rèn)的方式進(jìn)行連接。

直接指定代碼段、數(shù)據(jù)段、bss段的起始地址：

格式如下：

-Ttext startaddr

-Tdata startaddr

-Tbss startaddr

其中的'startaddr'分別表示代碼段、數(shù)據(jù)段和bss段的起始地址，它是一個(gè)16進(jìn)制數(shù)。示例：

arm-linux-ld -Ttext 0x0000000 -g led_on.o -o led_on_elf

它表示代碼段的運(yùn)行地址為0x0000000，由于沒有定義數(shù)據(jù)段、bss段的起始地址，它們被依次放在代碼段的后面。

使用連接腳本設(shè)置地址：

示例，它的Makefile中有這一句：

arm-linux-ld -Ttimer.lds -o timer_elf $^

其中的'$^'表示"head.o init.o interrupt.o main.o"(為何如此暫時(shí)不用管)，所以這句代碼就變?yōu)椋?p>

arm-linux-ld -Ttimer.lds -o timer_elf head.o init.o interrupt.o main.o

它使用連接腳本timer.lds來設(shè)置可執(zhí)行文件timer_elf的地址信息，timer_elf文件內(nèi)容如下：

SECTIONS {

. = 0x30000000;

.text : { *(.text) }

.rodata ALIGN(4) : {*(.rodata)}

.data ALIGN(4) : { *(.data) }

.bss ALIGN(4) : { *(.bss) *(COMMON) }

}

解析timer_elf文件之前，先講解連接腳本的格式。連接腳本的基本命令是SECTIONS命令，它描述了輸出文件的"映射圖"：輸出文件中各段、各文件怎么放置。一個(gè)SECTIONS命令內(nèi)部包含一個(gè)或多個(gè)段，段(Section)是連接腳本的基本單元，它表示輸入文件中的某部分怎么放置。

完整的連接腳本格式如下，它的核心部分是段(Section)：

SECTIONS {

...

secname start ALIGN(align) (NOLOAD) : AT(ldadr)

{ contents } >region :phdr =fill

...

}

secname和contents是必須的，前者用來命名這個(gè)段，后者用來確定代碼中的什么部分放在這個(gè)段中。

start是這個(gè)段重定位地址，也稱為運(yùn)行地址。如果代碼中有位置相關(guān)的指令，程序在運(yùn)行時(shí)，這個(gè)段必須放在這個(gè)地址上。

ALIGN(align)：雖然start指定了運(yùn)行地址，但是仍可以使用 BLOCK(align)來指定對齊的要求──這個(gè)對齊的地址才是真正的運(yùn)行地址。

(NOLOAD)：用來告訴加載器，在運(yùn)行時(shí)不用加載這個(gè)段。顯然，這個(gè)選項(xiàng)只有在有操作系統(tǒng)的情況下才有意義。

AT(ldadr)：指定這個(gè)段在編譯出來的映像文件中的地址──加載地址(load address)。如果不使用這個(gè)選項(xiàng)，則加載地址等于運(yùn)行地址。通過這個(gè)選項(xiàng)，可以控制各段分別保存輸出文件中不同的位置，便于把文件保存到到單板上：A段放在A處，B段放在B處，運(yùn)行前再把A、B段分別讀出來組裝成一個(gè)完整的執(zhí)行程序。

現(xiàn)在，可以明白前面的連接腳本timer.lds的含義了：

第2行表示設(shè)置"當(dāng)前運(yùn)行地址"為0x30000000。

第3行定義了一個(gè)名為".text"的段，它的內(nèi)容為"*(.text)"，表示所有輸入文件的代碼段。這些代碼段被集合在一起，起始運(yùn)行地址為0x30000000。

第 4 行定義了一個(gè)名為".rodata"的段，在輸出文件timer_elf中，它緊挨著".text"段存放。其中的"ALIGN(4)"表示起始運(yùn)行地址為4字節(jié)對齊。假設(shè)前面".text"段的地址范圍是0x30000000～0x300003f1，則".rodata"段的地址是4字節(jié)對齊后的0x300003f4。

第5、6行的含義與第4行類似。

1.3.arm-linux-objcopy工具介紹

arm-linux-objcopy被用來拷貝一個(gè)目標(biāo)文件的內(nèi)容到另一個(gè)文件中，可以使用不同于源文件的格式來輸出目的文件，即可以進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

在本書中，常用arm-linux-objcopy來將ELF格式的可執(zhí)行文件轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制文件。arm-linux-objcopy的使用格式如下：

arm-linux-objcopy [ -F bfdname | --target=bfdname ]

[ -I bfdname | --input-target=bfdname ]

[ -O bfdname | --output-target= bfdname ]

[ -S | --strip-all ] [ -g | --strip-debug ]

[ -K symbolname | --keep-symbol= symbolname ]

[ -N symbolname | --strip-symbol= symbolname ]

[ -L symbolname | --localize-symbol= symbolname ]

[ -W symbolname | --weaken-symbol= symbolname ]

[ -x | --discard-all ] [ -X | --discard-locals ]

[ -b byte | --byte= byte ]

[ -i interleave | --interleave= interleave ]

[ -R sectionname | --remove-section= sectionname ]

[ -p | --preserve-dates ] [ --debugging ]

[ --gap-fill= val ] [ --pad-to= address ]

[ --set-start= val ] [ --adjust-start= incr ]

[ --change-address= incr ]

[ --change-section-address= section{=,+,-} val ]

[ --change-warnings ] [ --no-change-warnings ]

[ --set-section-flags= section= flags ]

[ --add-section= sectionname= filename ]

[ --change-leading char ] [--remove-leading-char ]

[ --weaken ]

[ -v | --verbose ] [ -V | --version ] [ --help ]

input-file [ outfile ]

下面講解常用的選項(xiàng)：

input-file、outfile選項(xiàng)：參數(shù)input-file和outfile分別表示輸入目標(biāo)文件(源目標(biāo)文件)和輸出目標(biāo)文件(目的目標(biāo)文件)。如果在命令行中沒有明確地指定outfile，那么arm-linux-objcopy將創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)文件來存放目標(biāo)結(jié)果，然后使用input-file的名字來重命名這個(gè)臨時(shí)文件(這時(shí)候，原來的input-file將被覆蓋)。

-I bfdname或--input-target=bfdname選項(xiàng)：用來指明源文件的格式，bfdname是BFD庫中描述的標(biāo)準(zhǔn)格式名。如果不指明源文件格式，arm-linux-objcopy會(huì)自己去分析源文件的格式，然后去和BFD中描述的各種格式比較，從而得知源文件的目標(biāo)格式名。

-O bfdname或--output-target= bfdname選項(xiàng)：使用指定的格式來輸出文件，bfdname是BFD庫中描述的標(biāo)準(zhǔn)格式名。

-F bfdname或--target= bfdname選項(xiàng)：同時(shí)指明源文件、目的文件的格式。將源目標(biāo)文件中的內(nèi)容拷貝到目的目標(biāo)文件的過程中，只進(jìn)行拷貝不做格式轉(zhuǎn)換，源目標(biāo)文件是什么格式，目的目標(biāo)文件就是什么格式。

-R sectionname或--remove-section= sectionname選項(xiàng)：從輸出文件中刪掉所有名為sectionname的段。這個(gè)選項(xiàng)可以多次使用。

-S 或--strip-all選項(xiàng)：不從源文件中拷貝重定位信息和符號(hào)信息到目標(biāo)文件中去。

-g 或--strip-debug選項(xiàng)：不從源文件中拷貝調(diào)試符號(hào)到目標(biāo)文件中去。

在編譯bootloader、內(nèi)核時(shí)，常用arm-linux-objcopy命令將ELF格式的生成結(jié)果轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制文件，比如：

$ arm-linux-objcopy -O binary -S elf_file bin_file

1.4.arm-linux-objdump工具介紹：

arm-linux-objdump用于顯示二進(jìn)制文件信息，本書中常用來查看反匯編代碼。使用格式如下：

arm-linux-objdump [-a] [-b bfdname | --target=bfdname]

[-C] [--debugging]

[-d] [-D]

[--disassemble-zeroes]

[-EB|-EL|--endian={big|little}] [-f]

[-h] [-i|--info]

[-j section | --section=section]

[-l] [-m machine ] [--prefix-addresses]

[-r] [-R]

[-s|--full-contents] [-S|--source]

[--[no-]show-raw-insn] [--stabs] [-t]

[-T] [-x]

[--start-address=address] [--stop-address=address]

[--adjust-vma=offset] [--version] [--help]

objfile...

下面講解常用的選項(xiàng)：

-b bfdname或--target=bfdname選項(xiàng)：指定目標(biāo)碼格式。這不是必須的，arm-linux-objdump能自動(dòng)識(shí)別許多格式?？梢允褂?p>"arm-linux-objdump –i"命令查看支持的目標(biāo)碼格式列表。

--disassemble或-d選項(xiàng)：反匯編可執(zhí)行段(executable sections)。

--disassemble-all或-D選擇：與-d 類似，反匯編所有段。

-EB或-EL或--endian={big|little}選項(xiàng)：指定字節(jié)序。

--file-headers或-f選項(xiàng)：顯示文件的整體頭部摘要信息。

--section-headers、--headers或-h選項(xiàng)：顯示目標(biāo)文件各個(gè)段的頭部摘要信息。