大三暑假LINUX学习--之一（arm-linux-用法）

我们需要编译出运行在ARM平台上的代码，所使用的交叉编译器为 arm-linux-gcc。下面将arm-linux-gcc编译工具的一些常用命令参数介绍给大家。
在此之前首先介绍下编译器的工作过程，在使用GCC编译程序时，编译过程分为四个阶段：
1. 预处理（Pre-Processing）
2. 编译（Compiling）
3. 汇编（Assembling）
4. 链接（Linking）
Linux程序员可以根据自己的需要让 GCC在编译的任何阶段结束，以便检查或使用编译器在该阶段的输出信息，或者对最后生成的二进制文件进行控制，以便通过加入不同数量和种类的调试代码来为今后的调试做好准备。和其它常用的编译器一样，GCC也提供了灵活而强大的代码优化功能，利用它可以生成执行效率更高的代码。
以文件example.c为例说明它的用法
0. arm-linux-gcc -o example example.c
  不加-c、-S、-E参数，编译器将执行预处理、编译、汇编、连接操作直接生成可执行代码。
   -o参数用于指定输出的文件，输出文件名为example,如果不指定输出文件，则默认输出a.out
1. arm-linux-gcc -c -o example.o example.c
  -c参数将对源程序example.c进行预处理、编译、汇编操作，生成example.0文件
  去掉指定输出选项"-o example.o"自动输出为example.o,所以说在这里-o加不加都可以
2.arm-linux-gcc -S -o example.s example.c
  -S参数将对源程序example.c进行预处理、编译，生成example.s文件
  -o选项同上
3.arm-linux-gcc -E -o example.i example.c
  -E参数将对源程序example.c进行预处理，生成example.i文件（不同版本不一样，有的将预处理后的内容打印到屏幕上）
  就是将#include，#define等进行文件插入及宏扩展等操作。

4.arm-linux-gcc -v -o example example.c
加上-v参数，显示编译时的详细信息，编译器的版本，编译过程等。
5.arm-linux-gcc -g -o example example.c
-g选项，加入GDB能够使用的调试信息,使用GDB调试时比较方便。
6.arm-linux-gcc -Wall -o example example.c
-Wall选项打开了所有需要注意的警告信息，像在声明之前就使用的函数，声明后却没有使用的变量等。
7.arm-linux-gcc -Ox -o example example.c
-Ox使用优化选项，X的值为空、0、1、2、3
0为不优化，优化的目的是减少代码空间和提高执行效率等，但相应的编译过程时间将较长并占用较大的内存空间。
8.arm-linux-gcc   -I /home/include -o example example.c
-Idirname: 将dirname所指出的目录加入到程序头文件目录列表中。如果在预设系统及当前目录中没有找到需要的文件，就到指定的dirname目录中去寻找。
9.arm-linux-gcc   -L /home/lib -o example example.c
-Ldirname：将dirname所指出的目录加入到库文件的目录列表中。在默认状态下，连接程序ld在系统的预设路径中(如/usr/lib)寻找所需要的库文件，这个选项告诉连接程序，首先到-L指定的目录中去寻找，然后再到系统预设路径中寻找。
10.arm-linux-gcc �Cstatic -o libexample.a example.c
静态链接库文件

gcc在命令行上经常使用的几个选项是：
-c   只预处理、编译和汇编源程序，不进行连接。编译器对每一个源程序产生一个目标文件。

-o file  确定输出文件为file。如果没有用-o选项，缺省的可执行文件的输出是a.out，目标文件和汇编文件的输出对source.suffix分别是source.o和source.s，预处理的C源程序的输出是标准输出stdout。

-Dmacro 或-Dmacro=defn   其作用类似于源程序里的#define。例如：% gcc -c -DHAVE_GDBM -DHELP_FILE=\"help\" cdict.c其中第一个- D选项定义宏HAVE_GDBM，在程序里可以用#ifdef去检查它是否被设置。第二个-D选项将宏HELP_FILE定义为字符串“help”（由于反斜线的作用，引号实际上已成为该宏定义的一部分），这对于控制程序打开哪个文件是很有用的。

-Umacro   某些宏是被编译程序自动定义的。这些宏通常可以指定在其中进行编译的计算机系统类型的符号，用户可以在编译某程序时加上 -v选项以查看gcc缺省定义了哪些宏。如果用户想取消其中某个宏定义，用-Umacro选项，这相当于把#undef macro放在要编译的源文件的开头。

-Idir   将dir目录加到搜寻头文件的目录列表中去，并优先于在gcc缺省的搜索目录。在有多个-I选项的情况下，按命令行上-I选项的前后顺序搜索。dir可使用相对路径，如-I../inc等。

-O   对程序编译进行优化，编译程序试图减少被编译程序的长度和执行时间，但其编译速度比不做优化慢，而且要求较多的内存。

-O2   允许比-O更好的优化，编译速度较慢，但结果程序的执行速度较快。

-g   产生一张用于调试和排错的扩展符号表。-g选项使程序可以用GNU的调试程序GDB进行调试。优化和调试通常不兼容，同时使用-g和-O（-O2）选项经常会使程序产生奇怪的运行结果。所以不要同时使用-g和-O（-O2）选项。

-fpic或-fPIC   产生位置无关的目标代码，可用于构造共享函数库。

以上是gcc的编译选项。gcc的命令行上还可以使用连接选项。事实上，gcc将所有不能识别的选项传递给连接程序ld。连接程序ld将几个目标文件和库程序组合成一个可执行文件，它要解决对外部变量、外部过程、库程序等的引用。但我们永远不必要显式地调用ld。利用gcc命令去连接各个文件是很简单的，即使在命令行里没有列出库程序，gcc也能保证某些库程序以正确的次序出现。

gcc的常用连接选项有下列几个：
-Ldir   将dir目录加到搜寻-l选项指定的函数库文件的目录列表中去，并优先于gcc缺省的搜索目录。在有多个-L选项的情况下，按命令行上-L选项的前后顺序搜索。dir可使用相对路径。如-L../lib等。

-lname   在连接时使用函数库libname.a，连接程序在-Ldir选项指定的目录下和/lib，/usr/lib目录下寻找该库文件。在没有使用-static选项时，如果发现共享函数库libname.so，则使用libname.so进行动态连接。

-static   禁止与共享函数库连接。

-shared   尽量与共享函数库连接

我们对每个c或者汇编文件进行单独编译，但是不去连接，生成很多.o 的文件，这些.o文件首先是分散的，我们首先要考虑的如何组合起来；其次，这些.o文件存在相互调用的关系；再者，我们最后生成的bin文件是要在硬件中运行的，每一部分放在什么地址都要有仔细的说明。我觉得在写makefile的时候，最为重要的就是ld的理解，下面说说我的经验：

首先，要确定我们的程序用没有用到标准的c库，或者一些系统的库文件，这些一般是在操作系统之上开发要注意的问题，这里并不多说，熟悉在Linux编程的人，基本上都会用ld命令；这里，我们从头开始,直接进行汇编语言的连接。

我们写一个汇编程序，控制GPIO，从而控制外接的LED，代码如下;

  .text

.global _start

_start:

   LDR R0,=0x56000010 @GPBCON寄存器

   MOV R1,# 0x00000400
   str R1,[R0]

   LDR R0,=0x56000014
   MOV R1,#0x00000000

   STR R1,[R0]

   MAIN_LOOP:
           B MAIN_LOOP

代码很简单，就是一个对io口进行设置然后写数据。我们看它是如何编译的，注意我们这里使用的不是arm-linux-gcc而是arm-elf-gcc，二者之间没有什么比较大的区别，arm-linux-gcc可能包含更多的库文件，在命令行的编译上面是没有区别。我们来看是如何编译的：

      arm-elf-gcc -g -c -o led_On.o led_On.s  首先纯编译不连接

      arm-elf-ld  -Ttext 0x00000000 -g led_On.o -o led_on_elf

      用Ttext指明我们程序存储的地方，这里生成的是elf文件，还不是我们真正的bin，但是可以借助一些工具可以进行调试。然后：

      arm-elf-objcopy -O binary -S led_on_elf led_on.bin  

生成bin文件。

-T选项是ld命令中比较重要的一个选项，可以用它直接指明代码的代码段、数据段、博士生、

段，对于复杂的连接，可以专门写一个脚本来告诉编译器如何连接。

   -Ttext   addr

   -Tdata  addr

   -Tbss     addr

arm-elf-ld  -Ttext 0x00000000 -g led_On.o -o led_on_elf  ，运行地址为0x00000000，由于没有指明数据段和bss，他们会默认的依次放在后面。相同的代码 不同的Ttext，你可以对比一下他们之间会变的差异，ld会自动调整跳转的地址。

第二个概念：section，section可以理解成一块，例如像c里面的一个子函数，就是一个section，链接器ld把object文件中的每个section都作为一个整体，为其分配运行的地址(memory layout)，这个过程就是重定位(relocation)；最后把所有目标文件合并为一个目标文件。

链接通过一个linker script来控制，这个脚本描述了输入文件的sections到输出文件的映射，以及输出文件的memory layout。

因此，linker总会使用一个linker script，如果不特别指定，则使用默认的script；可以使用‘-T’命令行选项来指定一个linker script。

＊映像文件的输入段与输出段

linker把多个输入文件合并为一个输出文件。输出文件和输入文件都是目标文件(object file)，输出文件通常被称为可执行文件(executable)。

每个目标文件都有一系列section，输入文件的section称为input section，输出文件的section则称为output section。

一 个section可以是loadable的，即输出文件运行时需要将这样的section加载到memory(类似于RO&RW段)；也可以是 allocatable的，这样的section没有任何内容，某些时候用0对相应的memory区域进行初始化(类似于ZI段)；如果一个 section既非loadable也非allocatable，则它通常包含的是调试信息。

每个loadable或 allocatable的output section都有两个地址，一是VMA(virtual memory address)，是该section的运行时域地址；二是LMA(load memory address)，是该section的加载时域地址。

可以通过objdump工具附加'-h'选项来查看目标文件中的sections。

＊简单的Linker script

(1) SECTIONS命令：

The SECTIONS command tells the linker how to map input sections into output sections, and how to place the output sections in memory.

命令格式如下：

SECTIONS

{

sections-command

sections-command

......

}

其中sections-command可以是ENTRY命令，符号赋值，输出段描述，也可以是overlay描述。

(2) 地址计数器‘.’(location counter)：

该符号只能用于SECTIONS命令内部，初始值为‘0’，可以对该符号进行赋值，也可以使用该符号进行计算或赋值给其他符号。它会自动根据SECTIONS命令内部所描述的输出段的大小来计算当前的地址。

(3) 输出段描述(output section description)：

前面提到在SECTIONS命令中可以作输出段描述，描述的格式如下：

section [address] [(type)] : [AT(lma)]

{

output-section-command

output-section-command

...

} [>region] [AT>lma_region] [:phdr :phdr ...] [=fillexp]

很多附加选项是用不到的。其中的output-section-command又可以是符号赋值，输入段描述，要直接包含的数据值，或者某一特定的输出段关键字。

＊linker script 实例

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

OUTPUT_ARCH(arm)

ENTRY(_start)

SECTIONS {

   . = 0xa3f00000;

   __boot_start = .;

   .start ALIGN(4) : {

       *(.text.start)

   }

   .setup ALIGN(4) : {

       setup_block = .;

       *(.setup)

       setup_block_end = .;

   }

   .text ALIGN(4) : {

       *(.text)

   }

   .rodata ALIGN(4) : {

       *(.rodata)

   }

   .data ALIGN(4) : {

       *(.data)

   }

   .got ALIGN(4) : {

       *(.got)

   }

   __boot_end = .;

   .bss ALIGN(16) : {

       bss_start = .;

       *(.bss)

       *(COMMON)

       bss_end = .;

   }

   .comment ALIGN(16) : {

       *(.comment)

   }

   stack_point = __boot_start + 0x00100000;

   loader_size = __boot_end - __boot_start;

   setup_size = setup_block_end - setup_block;

}

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝  

在SECTIONS命令中的类似于下面的描述结构就是输出段描述：

.start ALIGN(4) : {

   *(.text.start)

}

.start 为output section name，ALIGN(4)返回一个基于location counter(.)的4字节对齐的地址值。*(.text.start)是输入段描述，*为通配符，意思是把所有被链接的object文件中 的.text.start段都链接进这个名为.start的输出段。

源文件中所标识的section及其属性实际上就是对输入段的描述，例如.text.start输入段在源文件start.S中的代码如下：

.section .text.start

.global _start

_start :

   b start

arm-elf-ld -Ttimer.lds -o timer_elf header .o

这里就必须存在一个timer.lds的文件。

对于.lds文件，它定义了整个程序编译之后的连接过程，决定了一个可执行程序的各个段的存储位置。虽然现在我还没怎么用它，但感觉还是挺重要的，有必要了解一下。

先看一下GNU官方网站上对.lds文件形式的完整描述：

SECTIONS {
...
secname start BLOCK(align) (NOLOAD) : AT ( ldadr )
 { contents } >region :phdr =fill
...
}

secname和contents是必须的，其他的都是可选的。下面挑几个常用的看看：

1、secname：段名

2、contents：决定哪些内容放在本段，可以是整个目标文件，也可以是目标文件中的某段（代码段、数据段等）

3、start：本段连接（运行）的地址，如果没有使用AT（ldadr），本段存储的地址也是start。GNU网站上说start可以用任意一种描述地址的符号来描述。

4、AT（ldadr）：定义本段存储（加载）的地址。

/* nand.lds */
SECTIONS {
firtst 0x00000000 : { head.o init.o }
second 0x30000000 : AT(4096) { main.o }
}

以上，head.o放在0x00000000地址开始处，init.o放在head.o后面，他们的运行地址也是0x00000000，即连接和存储地址相同（没有AT指定）；main.o放在4096（0x1000，是AT指定的，存储地址）开始处，但是它的运行地址在0x30000000，运行之前需要从0x1000（加载处）复制到0x30000000（运行处），此过程也就用到了读取Nand flash。

这就是存储地址和连接（运行）地址的不同，称为加载时域和运行时域，可以在.lds连接脚本文件中分别指定。

编写好的.lds文件，在用arm-linux-ld连接命令时带-Tfilename来调用执行，如
arm-linux-ld �CTnand.lds x.o y.o �Co xy.o。也用-Ttext参数直接指定连接地址，如
arm-linux-ld �CTtext 0x30000000 x.o y.o �Co xy.o。

既然程序有了两种地址，就涉及到一些跳转指令的区别，这里正好写下来，以后万一忘记了也可查看，以前不少东西没记下来现在忘得差不多了。

ARM汇编中，常有两种跳转方法：b跳转指令、ldr指令向PC赋值。

我自己经过归纳如下：

b step1 ：b跳转指令是相对跳转，依赖当前PC的值，偏移量是通过该指令本身的bit[23:0]算出来的，这使得使用b指令的程序不依赖于要跳到的代码的位置，只看指令本身。

ldr pc, =step1 ：该指令是从内存中的某个位置（step1）读出数据并赋给PC，同样依赖当前PC的值，但是偏移量是那个位置（step1）的连接地址（运行时的地址），所以可以用它实现从Flash到RAM的程序跳转。

此外，有必要回味一下adr伪指令，U-boot中那段relocate代码就是通过adr实现当前程序是在RAM中还是flash中。仍然用我当时的注释

 adr r0, _start /* r0是代码的当前位置 */
/* adr伪指令，汇编器自动通过当前PC的值算出如果执行到_start时PC的值，放到r0中：
当此段在flash中执行时r0 = _start = 0；当此段在RAM中执行时_start = _TEXT_BASE(在board/smdk2410/config.mk中指定的值为0x33F80000，即u-boot在把代码拷贝到RAM中去执行的代码段的开始) */

 ldr r1, _TEXT_BASE /* 测试判断是从Flash启动，还是RAM */
/* 此句执行的结果r1始终是0x33FF80000，因为此值是又编译器指定的(ads中设置，或-D设置编译器参数) */
   cmp r0, r1 /* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 */

下面，结合u-boot.lds看看一个正式的连接脚本文件。这个文件的基本功能还能看明白，虽然上面分析了好多，但其中那些GNU风格的符号还是着实让我感到迷惑。

OUTPUT_FORMAT("elf32­littlearm", "elf32­littlearm", "elf32­littlearm")
 ;指定输出可执行文件是elf格式,32位ARM指令,小端
OUTPUT_ARCH(arm)
 ;指定输出可执行文件的平台为ARM
ENTRY(_start)
 ;指定输出可执行文件的起始代码段为_start.
SECTIONS
{
       . = 0x00000000 ; 从0x0位置开始
       . = ALIGN(4) ; 代码以4字节对齐
       .text : ;指定代码段
       {
         cpu/arm920t/start.o (.text) ; 代码的第一个代码部分
         *(.text) ;其它代码部分
       }
       . = ALIGN(4)
       .rodata : { *(.rodata) } ;指定只读数据段
       . = ALIGN(4);
       .data : { *(.data) } ;指定读/写数据段
       . = ALIGN(4);
       .got : { *(.got) } ;指定got段, got段式是uboot自定义的一个段, 非标准段
       __u_boot_cmd_start = . ;把__u_boot_cmd_start赋值为当前位置, 即起始位置
       .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) } ;指定u_boot_cmd段, uboot把所有的uboot命令放在该段.
       __u_boot_cmd_end = .;把__u_boot_cmd_end赋值为当前位置,即结束位置
       . = ALIGN(4);
       __bss_start = .; 把__bss_start赋值为当前位置,即bss段的开始位置
       .bss : { *(.bss) }; 指定bss段
       _end = .; 把_end赋值为当前位置,即bss段的结束位置
}