ARM Cortex-M底层技术—编译内核的原理及其应用

Posted 2022-12-19 39950436-myqq

概述：

　　当前开发中，我使用的Keil开发工具较多(keil526)，故以keil为例进行介绍，其他开发环境大同小异。

1. 编译链接的定义

　不管我们编写的代码有多么简单，都必须经过「编译 --> 链接」的过程才能生成可执行文件：

• 编译就是将我们编写的源代码“翻译”成计算机可以识别的二进制格式，它们以目标文件的形式存在；
• 链接就是一个“打包”的过程，它将所有的目标文件以及系统组件组合成一个可执行文件。

　抛开嵌入式而言，C语言的编译器有很多种，不同的平台下有不同的编译器，例如：

• Windows 下常用的是微软开发的 Visual C++，它被集成在 Visual Studio 中，一般不单独使用；
• Linux 下常用的是 GUN 组织开发的GCC，很多 Linux 发行版都自带 GCC；
• Mac 下常用的是 LLVM/Clang，它被集成在 Xcode 中（Xcode 以前集成的是 GCC，后来由于 GCC 的不配合才改为 LLVM/Clang，LLVM/Clang 的性能比 GCC 更加强大）。

　　意思就是说，在windows平台下进行开发时，我们选用的开发工具大部分是帮我们集成了一些编译器，只需要进行界面配置就可以了。这里我要最好是知道Keil开发环境中，这些编译链接工具是怎么使用的。

keil中编译链接如下，下面会对编译连接器进行解释：

2. Keil的编译链接

　　在第一讲中提过，当我们利用Keil进行编译一个工程时，下面的输出框中的内容是这样的：

Compiler编译器，可以看到该编译器在我们电脑中的D盘D:\\Keil_v526\\ARM\\ARMCC\\bin，如下图所示：

　　armar 是用于把.o 文件打包成 lib 文件，armasm 编译汇编文件 ，armcc 编译 c/c++文件 ，armlink 链接对象文件 ，fromelf 生成下载格式文件，它根据 axf 映像文件转化成 hex 文件，并列出编译过程出现的错误(Error)和警告(Warning)数量 。调用这些编译工具，需要用到Windows的“命令行提示符工具”，为了让命令行方便地找到这些工具，我们先把工具链的目录添加到系统的环境变量中。

2.1 添加环境变量

　　Win7 系统为例添加工具链的路径到 PATH 环境变量 。

　　（1）右键电脑系统的“计算机图标”，在弹出的菜单中选择“属性” ，如下图

 

 

（2）在弹出的属性页面依次点击“高级系统设置” ->“环境变量”，在用户变量一栏中找到名为“PATH”的变量，若没有该变量，则新建一个。编辑“PATH”变量，在它的变量值中输入工具链的路径，如本机的是“;D:\\Keil_v526\\ARM\\ARMCC\\bin”，注意要使用“分号;”让它与其它路径分隔开（英文分号），输入完毕后依次点确定，如下图

（3） 打开 Windows 的命令行，点击系统的“开始菜单”，在搜索框输入“cmd”，在搜索结果中点击“cmd.exe”即可打开命令行，见图

 

 

（4）在弹出的命令行窗口中输入“fromelf”回车，若窗口打印出 formelf 的帮助说明，那么路径正常，就可以开始后面的工作了；若提示“不是内部名外部命令，也不是可运行的程序…”信息， 说明路径不对，请重新配置环境变量，并确认该工作目录下有编译工具链。

　　这个过程本质就是让命令行通过“PATH”路径找到“fromelf.exe”程序运行，默认运行“fromelf.exe”时它会输出自己的帮助信息，这就是工具链的调用过程， Keil本质上也是如此调用工具链的，只是它集成为 GUI（界面），相对于命令行对用户更友好，毕竟上述配置环境变量的过程已经让新手烦躁了。解释一下，这个cmd框中的内容怎么和Keil对应起来。fromelf 可根据 axf 文件生成 hex、 bin 文件， hex和 bin 文件是大多数下载器支持的下载文件格式 。例如如果我们想利用 fromelf 生成 bin 文件，可以在 MDK的“Option for Target->User”页中添加调用 fromelf 的指令，如下图

 

 

还有链接器的配置界面如下：

 

 

 

 那么这些东西有什么用呢？来看一下这段代码：

 1 Reset_Handler   PROC
 2                 EXPORT  Reset_Handler               [WEAK]
 3                 IMPORT  SystemInit
 4                 IMPORT  __main
 5  
 6                 LDR     r0, =errorfunc
 7                 BLX     r0
 8                 LDR     r0, =__main
 9                 BX      r0
10                 ENDP

　　启动代码中的Reset_Handler代码，大家可以一眼看出来这段代码是错误的，其中红色字体的errorfunc是我故意填在这里的一个不存在的函数，编译必然报错，那么我们看看编译器是怎么报错的？

 重点在途中蓝色底纹的部分，注意第一个单词：assembling……，然后后面跟着出错信息，没错，这是一个汇编器错误；再看下面，我再代码里面给出一个错误（我在main.c里面删掉了一个头文件）：

看蓝色底纹部分，注意第一个单词：compiling……，然后后面跟着出错信息，没错，这是一个编译器错误，跟上面的不同，这是编译器报错，我们再看下面一个错误，代码如下

 1 int main(void)
 2 
 3     char ch;
 4  
 5     /* Init board hardware. */
 6     /* attach 12 MHz clock to FLEXCOMM0 (debug console) */
 7     CLOCK_AttachClk(BOARD_DEBUG_UART_CLK_ATTACH);
 8  
 9     BOARD_InitPins();
10     BOARD_BootClockFROHF48M();
11     BOARD_InitDebugConsole();
12  
13     PRINTF("hello world.\\r\\n");
14  
15     while (1)
16     
17         ch = errorfunc();
18         PUTCHAR(ch);
19     
20 

看蓝色底纹部分，注意第一个单词：linking……，然后后面跟着出错信息，这次是一个链接器错误！

　　大家经常说的编译器报错，其实是几个不同的东西再报错，编译器、汇编器、链接器都会报错，那你可能会问，知道这个有啥用呢？当然是有用的，比如汇编器报错，基本跟C语言没关系，基本可以断定是汇编语言语法错误或者是嵌入C语言的汇编语言出错（在C中嵌入汇编是一种非常有效的编程手段）；如果是链接器报错，那就基本跟C语言语法无关，不是你的C语法上出错，很可能是你调用了不存在的函数或者链接器脚本写错了，或者使用了不存在的标号Symbol，或者没有包含头文件.h；而只有编译器报错，才总是你的C写的有问题.
 3. 工作报表.map文件

 　　真正有用的链接器描述文件“*.map”非常有用（编译链接后，双击工程列表下的第二个文件夹可以打开，变成灰色的那个）

　　“*.map”绝对是你的“核心员工”的工作报表，也是最复杂的一个。它主要包含交叉链接信息，查看该文件可以了解工程中各种符号之间的引用以及整个工程的 Code、 RO-data、 RW-data 以及 ZI-data 的详细及汇总信息。它的内容中主要包含了“节区的跨文件引用”、“删除无用节区”、“符号映像表”、“存储器映像索引”以及“映像组件大小”。

3.1 节区的跨文件引用

 1 Section Cross References
 2 
 3     startup_stm32f10x_hd.o(RESET) refers to startup_stm32f10x_hd.o(STACK) for __initial_sp
 4     startup_stm32f10x_hd.o(RESET) refers to startup_stm32f10x_hd.o(.text) for Reset_Handler
 5     startup_stm32f10x_hd.o(RESET) refers to stm32f10x_it.o(i.NMI_Handler) for NMI_Handler
 6     startup_stm32f10x_hd.o(RESET) refers to stm32f10x_it.o(i.HardFault_Handler) for HardFault_Handler
 7     startup_stm32f10x_hd.o(RESET) refers to stm32f10x_it.o(i.MemManage_Handler) for MemManage_Handler
 8     startup_stm32f10x_hd.o(RESET) refers to stm32f10x_it.o(i.BusFault_Handler) for BusFault_Handler
 9     startup_stm32f10x_hd.o(RESET) refers to stm32f10x_it.o(i.UsageFault_Handler) for UsageFault_Handler
10     startup_stm32f10x_hd.o(RESET) refers to stm32f10x_it.o(i.SVC_Handler) for SVC_Handler
11     startup_stm32f10x_hd.o(RESET) refers to stm32f10x_it.o(i.DebugMon_Handler) for DebugMon_Handler
12     startup_stm32f10x_hd.o(RESET) refers to stm32f10x_it.o(i.PendSV_Handler) for PendSV_Handler

......(省略)

　　在这部分中，详细列出了各个*.o 文件之间的符号引用。由于*.o 文件是由 asm 或 c/c++源文件编译后生成的，各个文件及文件内的节区间互相独立，链接器根据它们之间的互相引用链接起来，链接的详细信息在这个“Section Cross References”一一列出。

　　解释一下第3行，其他行的解释也差不多，第3行说明的是 startup_stm32f10x.o 文件中的“RESET”节区中的“__initial_sp” 符号（/函数）引用了同文件“STACK”节区（/函数）。这些跨文件引用的符号其实就是源文件中的函数名、变量名 。

3.2 删除无用节区

 1 Removing Unused input sections from the image.
 2 
 3     Removing startup_stm32f10x_hd.o(HEAP), (512 bytes).
 4     Removing core_cm3.o(.emb_text), (32 bytes).
 5     Removing system_stm32f10x.o(i.SystemCoreClockUpdate), (164 bytes).
 6     Removing system_stm32f10x.o(.data), (20 bytes).
 7     Removing misc.o(i.NVIC_Init), (112 bytes).
 8     Removing misc.o(i.NVIC_PriorityGroupConfig), (20 bytes).
 9     Removing misc.o(i.NVIC_SetVectorTable), (20 bytes).
10     Removing misc.o(i.NVIC_SystemLPConfig), (32 bytes).
11     Removing misc.o(i.SysTick_CLKSourceConfig), (40 bytes).
12     Removing stm32f10x_adc.o(i.ADC_AnalogWatchdogCmd), (20 bytes).
13     Removing stm32f10x_adc.o(i.ADC_AnalogWatchdogSingleChannelConfig), (16 bytes).
14     Removing stm32f10x_adc.o(i.ADC_AnalogWatchdogThresholdsConfig), (6 bytes).
15     Removing stm32f10x_adc.o(i.ADC_AutoInjectedConvCmd), (22 bytes).

......（省略）

　　这部分列出了在链接过程它发现工程中未被引用的节区，这些未被引用的节区将会被删除(指不加入到*.axf 文件，不是指在*.o 文件删除)，这样可以防止这些无用数据占用程序空间。这部分是编译器自动做的，不需要人工参与。

3.3 符号映像表

 

 　　这个表列出了被引用的各个符号在存储器中的具体地址、占据的空间大小等信息。如我们可以查到 LED_GPIO_Config 符号(0x080002c5)存储在 0x080002c4 地址，它属于 Thumb Code 类型，大小为 90 字节，它所在的节区为 bsp_led.o 文件的 i.LED_GPIO_Config 节区。

3.4  存储器映像索引

 1 Memory Map of the image
 2 
 3   Image Entry point : 0x08000131
 4 
 5   Load Region LR_IROM1 (Base: 0x08000000, Size: 0x000005d4, Max: 0x00080000, ABSOLUTE)
 6 
 7     Execution Region ER_IROM1 (Exec base: 0x08000000, Load base: 0x08000000, Size: 0x000005d4, Max: 0x00080000, ABSOLUTE)
 8 
 9     Exec Addr    Load Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object
10 
11     0x08000000   0x08000000   0x00000130   Data   RO            3    RESET               startup_stm32f10x_hd.o
12     0x08000130   0x08000130   0x00000000   Code   RO         3207  * .ARM.Collect$$$$00000000  mc_w.l(entry.o)
13     0x08000130   0x08000130   0x00000004   Code   RO         3210    .ARM.Collect$$$$00000001  mc_w.l(entry2.o)
14     0x08000134   0x08000134   0x00000004   Code   RO         3213    .ARM.Collect$$$$00000004  mc_w.l(entry5.o)
15     
16     ......
17     
18     0x080002c4   0x080002c4   0x00000060   Code   RO         3192    i.LED_GPIO_Config   bsp_led.o
19     0x08000324   0x08000324   0x00000004   Code   RO         3132    i.MemManage_Handler  stm32f10x_it.o
20     0x08000328   0x08000328   0x00000002   Code   RO         3133    i.NMI_Handler       stm32f10x_it.o
21     0x0800032a   0x0800032a   0x00000002   Code   RO         3134    i.PendSV_Handler    stm32f10x_it.o
22     
23     ......
24 
25 
26     Execution Region RW_IRAM1 (Exec base: 0x20000000, Load base: 0x080005d4, Size: 0x00000400, Max: 0x00010000, ABSOLUTE)
27 
28     Exec Addr    Load Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object
29 
30     0x20000000        -       0x00000400   Zero   RW            1    STACK               startup_stm32f10x_hd.o

　　本工程的存储器映像索引分为 ER_IROM1 及 RW_IRAM1 部分，它们分别对应 STM32内部 FLASH 及 SRAM 的空间。相对于符号映像表，这个索引表描述的单位是节区，而且它描述的主要信息中包含了节区的类型及属性，由此可以区分 Code、 RO-data、 RW-data 及ZI-data。

　　从上面的表中我们可以看到 i.LED_GPIO_Config 节区存储在内部 FLASH 的0x080002c4 地址，大小为 0x00000060，类型为 Code，属性为 RO。而程序的 STACK 节区(栈空间)存储在 SRAM 的 0x20000000 地址，大小为 0x00000400，类型为 Zero，属性为 RW（即 RW-data）。

3.5 映像组件大小 

　　map 文件的最后一部分是包含映像组件大小的信息(Image component sizes)，这也是最常查询的内容。

　　最后一部分列出了只读数据(RO)、可读写数据(RW)及占据的 ROM 大小。其中只读数据大小为 1492 字节，它包含 Code 段及 RO-data 段; 可读写数据大小为 1024 字节，它包含RW-data 及 ZI-data 段；占据的 ROM 大小为 1492 字节，它除了 Code 段和 RO-data 段，还包含了运行时需要从 ROM加载到 RAM的 RW-data数据（本工程中 RW-data数据为 0字节）。其实，在map文件中，连每一个函数的存储空间占用情况都会列出来（符号映像表 ）。

总结：综合整个 map 文件的信息，可以分析出，当程序下载到 STM32 的内部 FLASH 时，需要使用的内部 FLASH 是从 0x0800 0000 地址开始的大小为 1492 字节的空间；当程序运行时，需要使用的内部 SRAM 是从 0x20000000 地址开始的大小为 1024 字节的空间。

　　如果你真的把这个文件看明白了并能熟练应用，那么恭喜你，你就解锁了一个重要技能包。