GNU Freestanding（Naked）C ARM交叉开发环境创建与测试

Posted 2020-08-23 smstong

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在我的博文 GNU ARM交叉汇编环境的搭建与测试中，详细讲解了GNU ARM汇编环境的创建与使用方法。实际开发中，直接使用汇编语言写的代码往往很少，尽在系统启动和性能要求极其苛刻的时候才会用到汇编代码。在可读性、可移植性、逻辑表达能力方面，C语言的表现要比汇编强太多，正是C语言的这种优势造就了Unix世界，造就了Linux在多种平台上顺利编译运行的活泼场面。

所以，在嵌入式开发领域，C语言是主力语言。在使用开发ARM上运行的程序之前，必须构建一个好用的C交叉编译环境。在博文Freestanding C与交叉编译器的生成原理分析中，阐述了Freestanding C的概念和交叉编译器构建的原理。构建一个完整的Hosted C交叉编译器是一个相当复杂的过程，尤其是对于GCC来说，这个过程更是充满艰难险阻。为了避免初学者受挫，我们从简单开始，先构建一个Freestanding 的C交叉编译器，然后写一个具体的C项目来测试。

1 Freestanding C的构建

GCC项目主要有两大功能，一是提供C，C++，Fortran等多种语言的前端(front end)编译器，也就是负责把高级语言代码翻译成汇编代码；二是作为整个开发环境的总入口，负责调用其他汇编、链接工具，来控制整个编译–>汇编–>链接过程。可见GCC本身并不能独立工作，必须依赖于外部提供的汇编、链接等工具，而提供这些外部工具的最著名软件就是binutils。

虽说理论上gcc和binutils的安装没有先后的必要性，但实际上gcc编译的过程中，需要运行binutils提供的工具来进行测试，并根据测试结果来动态控制自身源码编译。故binutils必须先安装，之后才能编译安装gcc。

1.1 使用binutils构建交叉汇编环境

binutils的编译安装详见 GNU ARM交叉汇编环境的搭建与测试，本文不再重复表述。为便于参考，只给出binutils的配置命令：

../binutils-2.27/configure --prefix=/home/smstong/ARM --target=arm-linux-gnueabihf

后面配置GCC时，需要提供与之完全一致的配置参数才行。

1.2 使用GCC构建Freestanding C交叉编译环境

1.2.1官网下载GCC最新源码包

GCC的官网主页是http://www.gnu.org/software/gcc，这是GCC的大本营，也是整个GNU的核心部件。
截至今天（2016年12月13日）GCC的官方最新版本为gcc-6.2.0，下载的软件包名为gcc-6.2.0.tar.bz2。解压后得到文件夹gcc-6.2.0。
然后，进入gcc-6.2.0文件夹，执行./contrib/download_prerequisites脚本，这个脚本会自动下载编译GCC必须的库isl,mpc,gmp,mpfr等。不知道为啥GCC供下载的源码包里不直接附带这几个软件包，还非得让用户重新下载它。

其他的常规编译环境：本地GCC，GNU make，perl，awk，bash等等，就不在这里啰嗦了，一般的用于开发的Linux主机上都已经安装好了这些基本的开发环境。

1.2.2 配置安装

GCC项目也是使用GNU autotools 管理编译过程的，所以生成它第一步必须是执行configure命令。与binutils一样，gcc也建议把构建目录和源码目录分离，所以新建一个目录名为 build-gcc，然后进入这个目录进行整个构建过程。

mkdir build-gcc
cd build-gcc
../gcc-6.2.0/configure --prefix=/home/smstong/ARM         # 要与binutils配置时相同
                         --target=arm-linux-gnueabihf     # 要与binutils配置时相同
                         --enable-languages=c             # 只生成C编译器
                         --without-headers                # 不使用头文件
                         --disable-multilib               # 不生成多个库版本
make all-gcc            # 注意此处的目标是all-gcc，也就是freestanding C
make install-gcc        # 相应的安装的也只是GCC

安装完成以后，会发现新生成的交叉编译器 /home/smstong/ARM/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc，同时还有一个硬链接在/home/smstong/ARM/arm-linux-gnueabihf/bin/gcc。执行如下命令测试：

[smstong@centos192 bin]$ ./arm-linux-gnueabihf-gcc -v
使用内建 specs。
COLLECT_GCC=./arm-linux-gnueabihf-gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/home/smstong/ARM/libexec/gcc/arm-linux-gnueabihf/6.2.0/lto-wrapper
目标：arm-linux-gnueabihf
配置为：../gcc-6.2.0/configure --prefix=/home/smstong/ARM/ --target=arm-linux-gnueabihf --enable-languages=c --without-headers --disable-multilib
线程模型：posix
gcc 版本 6.2.0 (GCC)

2 测试环境

目标机器环境：
（1）硬件平台TQ2440开发板，Soc CPU为三星2440, ARM920T核心。
（2）Norflash装有u-boot，可以通过tfgtp下载程序到指定物理内存地址并执行
（3）Nandflash装有Linux2.6系统，带有tftp客户端工具。
开发主机：
（1）Centos 7 PC机器
（2）装有tftp server，服务目录为/var/www/tftpboot/。

3 裸机环境下C程序测试实例

2.1 项目源码

源码文件结构：

.
├── Makefile
├── test.c
├── test.lds
└── test.s

test.c

#define rGPBCON (*(volatile unsigned*)0x56000010)
#define rGPBDAT (*(volatile unsigned*)0x56000014)
#define rGPBUP  (*(volatile unsigned*)0x56000018)

void init()
{
    /* 初始化led1 */
    rGPBCON &= ~(3<<10);
    rGPBCON |= (1<<10);
    rGPBUP &= ~(1<<5);

    /* 熄灭led1 */
    rGPBDAT |= (1<<5);
    return;
}

test.lds

ENTRY(init)
SECTIONS {
    . = 0x30000000;
    .text : {
        *(.text)
        *(.rodata)
    }
    .data ALIGN(4): {
        *(.data)
    }
    .bss ALIGN(4): {
        *(.bss)
    }
}

Makefile

CC = arm-linux-gnueabihf-gcc
LD = arm-linux-gnueabihf-ld
OBJCPY = arm-linux-gnueabihf-objcopy

all: test.bin
    sudo cp test.bin /var/lib/tftpboot/
test.bin: test
    $(OBJCPY) -O binary $< $@

test: test.o
    $(LD) --script=test.lds -o $@ $<

test.o: test.c
    $(CC) -c $<
.PHONY: clean
clean:
    rm -rf *.o test test.bin

2.2 编译链接说明

交叉连接器默认的入口点名称为_start，默认的代码段基地址为0x00001074，生成的可执行文件格式为elf。而我们要想让程序在裸机上运行，需要代码段基地址为0x30000000，文件格式为纯二进制镜像。这都可以通过链接脚本轻松完成。另外我们还手动指定了程序入口点为init函数。

通过Norflash里的u-boot把生成的test.bin加载到物理内存0x30000000处并执行，会发现LED1灯被熄灭。而且执行完成后自动返回到了u-boot中。因为init()函数的最后是return语句。

2.3 看看编译器生成的汇编代码

使用gcc test.c -c 时，gcc会把中间产生的汇编代码文件隐藏，为了看到这个中间文件，需要通过-S选项调用gcc来生成汇编代码文件。

arm-linux-gnueabihf-gcc -S test.c

上述命令会生成test.s文件如下：

    .eabi_attribute 18, 4
    .file   "test.c"
    .text
    .align  2
    .global init
    .syntax unified
    .arm
    .fpu softvfp
    .type   init, %function
init:
    @ args = 0, pretend = 0, frame = 0
    @ frame_needed = 1, uses_anonymous_args = 0
    @ link register save eliminated.
    str fp, [sp, #-4]!
    add fp, sp, #0
    ldr r2, .L2
    ldr r3, .L2
    ldr r3, [r3]
    bic r3, r3, #3072
    str r3, [r2]
    ldr r2, .L2
    ldr r3, .L2
    ldr r3, [r3]
    orr r3, r3, #1024
    str r3, [r2]
    ldr r2, .L2+4
    ldr r3, .L2+4
    ldr r3, [r3]
    bic r3, r3, #32
    str r3, [r2]
    ldr r2, .L2+8
    ldr r3, .L2+8
    ldr r3, [r3]
    orr r3, r3, #32
    str r3, [r2]
    nop
    sub sp, fp, #0
    @ sp needed
    ldr fp, [sp], #4
    bx  lr
.L3:
    .align  2
.L2:
    .word   1442840592
    .word   1442840600
    .word   1442840596
    .size   init, .-init
    .ident  "GCC: (GNU) 6.2.0"
    .section    .note.GNU-stack,"",%progbits

通过gcc生成的汇编代码，我们也可以学习GNU ARM汇编的基本语法。

4 Linux环境下Freestanding C程序测试实例

由于是Freestanding C环境，所以即使在Linux系统下，仍然没有可用的标准C库。而C语言又不能直接执行软中断指令调用Linux的系统调用，这就导致操作系统提供的API完全不可用！（汇编语言反而可以直接通过swi指令来调用系统API）可见在操作系统下，如果没有C库，C语言根本无法对硬件进行操作，也就不可能操控开发板上的LED灯，甚至也不能打印简单的hello world，这是何等的悲哀！

为了便于测试，我们不得不借助汇编的帮助，采用C语言和汇编语言混合编程的方式。其中汇编语言提供一个打印字符串的函数和一个退出进程的函数，C语言调用之。
其实这就相当于自己用汇编语言实现了一个超级简化的POSIX系统调用C库。
C语言和汇编进行彼此调用，就必须要遵守相应的函数调用规范，及APCS（ARM Process Call Standard），请大家自行学习之。

4.1 项目源码

项目文件结构图：

.
├── api.h         # api 头文件说明
├── api.s         # api 实现
├── Makefile      
├── test.c
└── test.lds     # 链接脚本，指示程序入口

文件 api.h

void print(int fd, char* msg, int len);
int exit(int code);

文件api.s

/*
   void print(int fd, char* msg, int len);
   int exit(int code);

 */

.text
.global print
.global exit
print:
    swi #0x900004
    mov pc,lr

exit:
    swi #0x900001
    mov pc,lr
~

文件test.c

#include "api.h"

void test()
{
    char* msg = "hello, freestanding C\\n";
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        print(1, msg, 22);
    }
    exit(0);
}

文件test.lds

ENTRY(test)

文件Makefile

CC = arm-linux-gnueabihf-gcc
AS = arm-linux-gnueabihf-as
LD = arm-linux-gnueabihf-ld
OBJCPY = arm-linux-gnueabihf-objcopy

all: test
    sudo cp test /var/lib/tftpboot/
test: test.o api.o
    $(LD) --script=test.lds -o $@ $^

test.o: test.c api.h
    $(CC) -c $<

api.o: api.s
    $(AS) -o $@ $<

.PHONY: clean
clean:
    rm -rf *.o test

4.2 编译链接说明

交叉链接器默认生成elf格式文件，可以直接被Linux加载执行。应为是Freestanding C，需要在链接脚本中指定程序入口点。

程序执行结果：

[root@EmbedSky /]# tftp -g -r test 172.16.35.188
[root@EmbedSky /]# ./test
hello, freestanding C
hello, freestanding C
hello, freestanding C
hello, freestanding C
hello, freestanding C
hello, freestanding C
hello, freestanding C
hello, freestanding C
hello, freestanding C
hello, freestanding C

5 对Freestanding C的思考

在裸机下，Freetanding C尚可以通过指针的方式直接操控部分硬件资源；在OS下，所有硬件资源受到操作系统的保护（通过MMU），Freestanding C根本无法独立操控任何硬件。

所以在实际的开发中：

• 如果是裸机项目，C库本来就不可用，Freestanding C是唯一可选C环境，而且能够完美完成任务；
• 如果是基于OS的项目，那么Freestanding C能力不足，必须要有完整的Hosted C环境才能胜任（当然，也可以自己用汇编写一个小型C库，但是有现成的GLIBC，为啥要重复造轮子呢？）。

6 小结

到目前为止，博文 GNU ARM交叉汇编环境的搭建与测试完成了ARM汇编环境的搭建，本文完成了Freestanding C 编译环境的搭建，并给出了详细的步骤和应用实例。

下一步，就是在这两个环境下多多练习，等熟练了，再开始搭建最终的Hosted C完整开发环境。