Cortex-M3 ARM代码编译，链接与启动过程深度分析

本篇文章以武汉杰开科技的汽车级MCU芯片AC7811为硬件平台，使用GNU GCC作为开发工具。详细分析Compile 、Link 、Loader的过程以及Image(二进制程序)启动的详细分析。整个过程分析涉及到RW可读写DATA段从Flash到Mem的Copy，BSS段的初始化，Stack和Heap的初始化，C库函数移植、利用Semihosting 实现基本的IO等内容。基本可以让你从更深刻的层面理解源码 -> 编译 -> 链接 -> 运行的整个过程。理解了这些个过程之后，你就对那些从语言编程层面来说难于理解的问题自然领会了，比如：我们的源码时如何生成相应的代码段和数据段，代码段和数据段在哪？全局变量和局部变量的区别到底在哪？Stack和Heap的区别到底在哪？等等一些看起来是规定的东西，书本里一切不自然的概念都需要你用心去理解，去实践，达到自然的状态才有可能去解决实际遇到的问题。本文参考官方文档：Makefile,GNU GCC,Linkers and Loaders,Cortex-M3 Technical Reference Manual和程序员的自我修养—链接、装载与库。

AUTOChip Cortex-M3 地址映射(Memory mapping)
​ 如在我们比较常用的操作系统(Windows/Linux)中，整个Virtual Memory地址通过硬件的MMU被映射到相应的Physical RAM/Memory。然而在嵌入式系统中对于RAM,它时没有MMU的。因此在一些嵌入式系统里，如比较常用的STM32来说，地址映射被分为Flash Segments(也是我们所知的Flash,用来存储代码和数据)和RAM Segments用来存可读写数据。在分析代码编译，链接与启动之前，我们必须了解整个Cortex-M3 MCU的地址分配和启动模式。

从上图中AutoChip AC7811的Flash和SRAM地址范围分别在0x000 0000 ~ 0x2000 0000和0x2000 0000 ~ 0x4000 0000，内部外围总线地址0x4000 0000 ~ 0x6000 0000(这是我们常用的说的_APB_(Advanced Peripheral Bus)，外围总线地址)，外部存储设备地址0x6000 0000 ~ 0x6100 0000(这里是给外挂SPI FLASH映射的地址空间)，Cortex-M3私有Debug，外部和内部总线接口地址0xE000 0000 ~ 0xE100 0000(参考Cortex-M3 Technical Reference Manual)。本文主要讲的是Flash地址0x000 0000 ~ 0x2000 0000和SRAM地址0x2000 0000 ~ 0x4000 0000的应用。

下面通过分析AutoChip AC7811的四个boot mode启动模式帮助大家理解对应的地址映射转换。在AC7811技术参考手册page23 Boot configuration可以设置UART1_CTS和UART1_RTS管脚使能不同的启动模式。

Flash memory boot up 和 SRAM boot up映射框图如下：

ISP boot up 和 Serial flash boot up映射框图如下：

裸机程序的整体说明
​ 我们都熟悉有操作系统支持的应用程序开发，比如 Linux下C语言的开发。我们可以不用关心程序启动的细节，同时我们一般还可以使用各种方便的lib 库，比如基本的IO操作(printf scan)，动态分配内存操作(malloc)，文件操作(fopen fwrite fread)等。有操作系统支持的情况下，程序的编译、链接、启动都是有操作系统支持的，常用的编程库函数使用的是标准的C库。

那如果没有OS支持的情况下，想实现上面这些功能的话，该怎么做呐？这种情况就叫 Bare Metal (裸)程序开发。在嵌入式开发中是比较常见的情况，本文主要讲解基于Cortex-M3 的裸程序开发。本裸机程序实现了 基本IO，动态内存分配，基本函数库等功能。

如何实现的startup
​ 还是和有OS支持的情况下来对比，有OS的情况下分析一个Project，一般会从3个方面来进行分析：一是看源代码的组织形式；一是看Compile && Link过程(即Makefile)；三是看Run时的情况(一般看运行起来后几个Process，几个Thread，以及他们之间的关系)。分析完这3个方面后，整个project从静到动，以及动静之间的转换都包括了，也就掌握了整个的Project。

在没有OS的情况下，1 2 两个方面是一样的，只不过程序运行的基础环境不一样，裸机程序运行需要考虑的细节多一些。裸机程序需要考虑的基本问题有：

编译生成的可执行程序结构是什么样的？整个可执行程序的入口在哪？

需要将可执行程序下载到什么地方？程序运行前需要做哪些准备工作？

C语言运行需要什么样的环境？

我们按照上面说的方法，从3各方面出发，分析我们的Project。

源代码：
顶层目录结构：

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# tree -l

.

├── App

├── Device

│   ├── Include

│   │   ├── CMSIS

│   └── Source

│       ├── ARM

├── Drivers

│   ├── inc

│   └── src

└── makefile

 

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其中App目录是Application层的主逻辑代码，其中main.c就在App目录中，是业务逻辑层的主代码。 Device-->include-->CMSIS目录是arm cmsis框架层的interface 说明文件。 Device-->Source-->ARM目录是启动代码startup_ac78xx.s和ac7811_flash.ld脚本。 ac7811_flash.ld脚本主要告诉ld(链接器)如何链接各个Objects文件为可执行程序. Drivers目录是AutoChip提供的ac7811的SDK包。

更详细的项目目录结构：

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# tree -l

.

├── App

│   └── main.c

├── Device

│   ├── Include

│   │   ├── CMSIS

│   │   │   ├── arm_common_tables.h

│   │   │   ├── arm_const_structs.h

│   │   │   ├── arm_math.h

│   │   │   ├── cmsis_armcc.h

│   │   │   ├── cmsis_armclang.h

│   │   │   ├── cmsis_compiler.h

│   │   │   ├── cmsis_gcc.h

│   │   │   ├── cmsis_iccarm.h

│   │   │   ├── cmsis_version.h

│   │   │   ├── core_cm3.h

│   │   │   ├── mpu_armv7.h

│   │   ├── ac78xx.h

│   │   ├── ac78xx_ckgen.h

│   │   ├── ac78xx_debugout.h

│   │   ├── ac78xx_spm.h

│   │   ├── debugzone.h

│   │   └── system_ac78xx.h

│   └── Source

│       ├── ARM

│       │   ├── ac7811_flash.ld

│       │   └── startup_ac78xx.s

│       ├── ac78xx_ckgen.c

│       ├── ac78xx_ckgen_regs.h

│       ├── ac78xx_debugout.c

│       ├── ac78xx_spm.c

│       ├── ac78xx_spm_regs.h

│       ├── syscalls.c

│       └── system_ac78xx.c

├── Drivers

│   ├── inc

│   │   ├── ac78xx_can.h

│   │   ├── ac78xx_can_reg.

│   │   ├── ac78xx_dma.h

│   │   ├── ac78xx_dma_reg.h

│   │   ├── ac78xx_eflash.h

│   │   ├── ac78xx_eflash_reg.h

│   │   ├── ac78xx_uart.h

│   │   ├── ac78xx_uart_reg.h

│   │   ├── ......

│   └── src

│       ├── ac78xx_can.c

│       ├── ac78xx_dma.c

│       ├── ac78xx_eflash.c

│       ├── ac78xx_uart.c

│       ├── ......

└── makefile

 

编译与链接
当然是直接 make 喽。但是我们还是需要知道对应的编译规则。不得不说AC7811的makefile写的还是非常规范的。我们可以把作为一个很好的makefile模版。

makefile详细说明：

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#--------------------------------- 编译参数 ------------------------------------

#把编译过程中的命令参数log不往屏幕显示

ifneq ($(V),1)

Q                := @

NULL        := 2>/dev/null

endif

 

TARGET := DEMO#编译文件名称，根据命名需要可自行修改

OPT    := -O0#不做任何优化，这是默认的编译选项。

CSTD   := -std=c11#使用C11标准库

CXXSTD := -std=c++11#使用C++11标准库

 

#--------------工程需要编译的头文件，根据需要自行添加--------------------

INC_FLAGS += -I ./Device/Include     \

                     -I ./Device/Include/CMSIS \

                         -I ./Drivers/inc        

#------链接文件,里面指定了芯片flash,ram大小，需根据实际大小进行修改

LDSCRIPT := ./Device/Source/ARM/ac7811_flash.ld

 

ARCH_FLAGS += -mthumb#thumb指令

ARCH_FLAGS += -mcpu=cortex-m3#cortex-m3 cpu架构

 

#编译告警设置

CWARN_FLAGS += -Wall -Wshadow

CWARN_FLAGS += -fno-common -ffunction-sections -fdata-sections

CWARN_FLAGS += -Wimplicit-function-declaration  

CWARN_FLAGS += -Wstrict-prototypes

 

#--通过printf打印串口log，需设置-specs=nosys.specs，并且在syscalls.c中实现_write_r函数，把printf映射到串口上。

LDLIBS                += -Wl,--start-group -lc -lgcc  -Wl,--end-group -lm -specs=nosys.specs 

 

#----------------------------- 搜索工程目录下的源代码 ---------------------------

 

AS_SRC := ./Device/Source/ARM/startup_ac78xx.s

AS_OBJ := $(AS_SRC:%.s=%.o)

#-------源代码需根据实际情况删减-------------

C_SRC := ./Device/Source/ac78xx_ckgen.c    \

                 ./Device/Source/ac78xx_spm.c      \

                 ./Device/Source/system_ac78xx.c   \

                 ./Device/Source/ac78xx_debugout.c \

                 ./Device/Source/syscalls.c \

                 ./Drivers/src/ac78xx_dma.c        \

                 ./Drivers/src/ac78xx_gpio.c        \

                 ./Drivers/src/ac78xx_timer.c        \

                 ./Drivers/src/ac78xx_uart.c        \

                 ./Drivers/src/ac78xx_wdg.c        \

                 ./App/main.c

C_OBJ := $(C_SRC:%.c=%.o)  

 

#--------------------------------- 参数整合 ------------------------------------

# C flags

CFLAGS := $(OPT) $ $(CSTD) $(INC_FLAGS) $(FP_FLAGS) 

CFLAGS += $(DEFINES) $(ARCH_FLAGS) $(CWARN_FLAGS) -g #-g 增加调试选项，可以使用GDB进行调试

 

# Linker flags 链接器编译选项

LDFLAGS                := --static#静态编译

LDFLAGS                += -Wl,-Map=$(TARGET).map -Wl,--gc-sections

LDFLAGS                += -T$(LDSCRIPT) $(ARCH_FLAGS) $(LDLIBS)

 

# OBJ

OBJ = $(AS_OBJ) $(C_OBJ)

 

#-------------------------------- 编译器调用指令 --------------------------------

PREFIX        := arm-none-eabi

 

CC                := $(PREFIX)-gcc

CXX                := $(PREFIX)-g++

LD                := $(PREFIX)-gcc

AR                := $(PREFIX)-ar

AS                := $(PREFIX)-as

OBJCOPY        := $(PREFIX)-objcopy

OBJDUMP        := $(PREFIX)-objdump

GDB                := $(PREFIX)-gdb

 

.SUFFIXES: .elf .bin .hex .list .map .images

.SECONDEXPANSION:

.SECONDARY:

 

all: elf bin hex

 

elf: $(TARGET).elf

bin: $(TARGET).bin

hex: $(TARGET).hex

list: $(TARGET).list

images: $(TARGET).images

 

%.images: %.bin %.hex %.list %.map

        [url=home.php?mod=space&uid=384087]@printf[/url] "*** $* images generated ***\n"

#objdump生成二进制文件

%.bin: %.elf          

        @printf "  OBJCOPY $(*).bin\n"

        $(Q)$(OBJCOPY) -Obinary $(*).elf $(*).bin

#objdump生成hex文件

%.hex: %.elf

        @printf "  OBJCOPY $(*).hex\n"

        $(Q)$(OBJCOPY) -Oihex $(*).elf $(*).hex

        

%.list: %.elf

        @printf "  OBJDUMP $(*).list\n"

        $(Q)$(OBJDUMP) -S $(*).elf > $(*).list

#链接map生成elf规则        

%.elf %.map: $(OBJ) $(LDSCRIPT)

        @printf "  LD      $(TARGET).elf\n"

        $(Q)$(LD) $(OBJ) $(LDFLAGS) -o $(TARGET).elf

#汇编文件编译规则

$(AS_OBJ): %.o:%.s

        @printf "  AS      $(*).s\n"

        $(Q)$(CC) $(ARCH_FLAGS) $(FP_FLAGS) -g -Wa,--no-warn -x assembler-with-cpp -o $(*).o -c $(*).s

#C文件编译规则

$(C_OBJ): %.o:%.c

        @printf "  CC      $(*).c\n"

        $(Q)$(CC) $(CFLAGS) -o $(*).o -c $(*).c

        

clean:

        @#printf "  CLEAN\n"

        $(Q)$(RM) $(shell find -name '*.o' -o -name '*.d' -o -name '*.elf' -o -name '*.bin') 

        $(Q)$(RM) $(shell find -name '*.hex' -o -name '*.srec' -o -name '*.list' -o -name '*.map') 

        $(Q)$(RM) $(shell find -name 'generated.*' -o -name '*.srec' -o -name '*.list' -o -name '*.map') 

 

.PHONY: images clean elf bin hex list flash debug

 

Makefile Tips

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(1)常用的变量名(约定俗成的)：

CC:表示c编译器版本

CFLAGS:表示编译时参数

CPPFLAGS:表示预处理参数

CXX:表示C++编译器版本

CXXFLAGS:表示c++编译时参数

LDFLAGS:表示库参数库选项

INCLUDE:表示头文件目录

TARGET:表示目标名

RM:删除选项

#: 注释符号

(2)一些特殊字符

$(变量):对变量取值

@:只显示命令结果，忽略命令本身

-:如果当前命令出错，忽略错误，继续执行

%:通配符，通配符是以遍历的方式实现的

(3)特殊变量

用于当前目标：

$@：代表目标

$<：代表依赖中的第一个

$^：代表所有依赖

 

映像结构与运行
​ 有操作系统的情况下，我们不需要关心可执行映像的具体结构，一个可执行程序文件从静态文件到动态运行这个过程叫Loader&&Run。这个过程是由OS来完成的，应用程序级别的开发是不需要关心这些细节的。