ARM代碼編譯與鏈接調(diào)試的工作流程詳解

梳理下ARM代碼編譯鏈接的工作流程，以及過程中需要的相關(guān)概念信息，不具體關(guān)注編譯鏈接的具體命令。

基于ARM內(nèi)核的芯片在我們的世界中無處不在，從簡(jiǎn)單的MCU到高端的應(yīng)用處理器，各行各業(yè)中都有它們的身影。 如今ARM生態(tài)系統(tǒng)非常繁榮，在這繁榮的背后編譯器的作用功不可沒。

ARM編譯器按照內(nèi)核類型可分為兩大類，其一是適用于Cortex-M/R內(nèi)核的編譯器，其二是適用于Cortex-A內(nèi)核的編譯器。 編譯器(套件)通常也稱作(編譯)工具鏈，下文可能會(huì)混用，但是是一個(gè)意思，請(qǐng)知悉。

一、編譯過程

編譯過程就是把源代碼編譯生成目標(biāo)代碼的過程。而采用ARM編譯命令，可以將源代碼編譯成帶有ELF格式的目標(biāo)文件。除了編譯命令可以選擇相應(yīng)的編譯選項(xiàng)之外，源代碼中的pragmas以及特別的關(guān)鍵字也會(huì)對(duì)編譯過程/結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

1.makefile文件

Makefiile類似一個(gè)腳本文件，這個(gè)文件用來定義編譯過程，其中包含了需要編譯的文件、文件順序，編譯的宏定義等等，可以看做完整編譯需要的信息及過程的集合。

2.ELF格式文件

ELF文件：(Executable and Linkable Format) ELF文件出了包含編譯出的二進(jìn)制代碼，還包含其他鏈接需要信息，ELF格式提供了相應(yīng)代碼/數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)編譯出的地址信息、文件信息等內(nèi)容。

二、鏈接過程

鏈接就是把編譯生成的目標(biāo)文件和鏈接庫(kù)處理成為相應(yīng)ELF格式的映像文件(image)，最終的文件可以寫入嵌入式系統(tǒng)的ROM/FLASH中。映像文件中包含：分組信息和定位信息，亦即輸出段/域及地址定位信息。鏈接器同時(shí)可以生成相應(yīng)與域有關(guān)的符號(hào)來指示關(guān)于加載時(shí)地址、運(yùn)行時(shí)地址、加載時(shí)長(zhǎng)度限制、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)度限制等信息。同時(shí)鏈接器也具有優(yōu)化的功能，刪除不必要的代碼、段域等。

1.映像文件的組成

一個(gè)映像文件包含一個(gè)或多個(gè)域;一個(gè)域包含一個(gè)或多個(gè)輸出段;一個(gè)輸出段包含一個(gè)或多個(gè)輸入段;輸入段中包含了目標(biāo)文件的代碼和數(shù)據(jù)。

輸入段的內(nèi)容：代碼、已初始化的數(shù)據(jù)、未初始化的數(shù)據(jù)、初始化0的存儲(chǔ)區(qū)域。

輸出段和域中包含：RO、RW、ZI域。

2.映像文件的地址映射

加載時(shí)地址和運(yùn)行時(shí)地址的區(qū)別：加載時(shí)地址是運(yùn)行前的地址，簡(jiǎn)單理解在FLASH中固定存儲(chǔ)即為加載時(shí)地址，而若代碼載入RAM運(yùn)行時(shí)，新的地址為運(yùn)行時(shí)地址;而程序在FLASH中運(yùn)行，加載時(shí)地址和運(yùn)行時(shí)地址就一致了。當(dāng)?shù)刂酚成鋸?fù)雜時(shí)，可以通過scatter配置文件進(jìn)行設(shè)置。

3.初始入口點(diǎn)和普通入口點(diǎn)

初始入口點(diǎn)：運(yùn)行時(shí)的入口點(diǎn)，初始入口點(diǎn)必須位于映像文件運(yùn)行時(shí)入口點(diǎn)，而它的加載時(shí)地址和運(yùn)行時(shí)地址一致(稱為固定域)?？梢酝ㄟ^-entry指定映像文件的初始入口點(diǎn)。

普通入口點(diǎn)：用ENTRY偽操作定義在程序中，一般為中斷服務(wù)程序的入口點(diǎn)。

4.scatter文件中包含的信息

加載時(shí)域描述、運(yùn)行時(shí)域描述、輸入段描述、輸入段選擇符;加載時(shí)域包括：名稱、起始地址、屬性、最大尺寸和一個(gè)運(yùn)行時(shí)域;運(yùn)行時(shí)域包括：名稱、起始地址、屬性、最大尺寸和一個(gè)輸入段集合;輸入段選擇符描述了輸入段名稱或?qū)傩缘钠ヅ浞绞健?

輸入段屬性：RO-CODE/CODE、RO_DATA/CONST、RO/TEXT包括前兩項(xiàng)、RW_DATARW/DATA(RW_CODE+RW_DATA)、BSS、ZI;FIRSTLAST來指定運(yùn)行時(shí)域的開頭結(jié)尾，.ANY可以根據(jù)實(shí)際情況安排到合適的運(yùn)行時(shí)域。

可以使用FIXED屬性將域放置在ROM中固定位置，加載時(shí)域和固定時(shí)域即相同。

小知識(shí)

1.程序斷點(diǎn)

斷點(diǎn)可以分為：軟件斷點(diǎn)和硬件斷點(diǎn)，軟件斷點(diǎn)可以相應(yīng)地址插入相應(yīng)的指令實(shí)現(xiàn)，而硬件斷點(diǎn)必須要需要相應(yīng)硬件支持才能實(shí)現(xiàn)。

2.鏈接庫(kù)的概念

鏈接庫(kù)分為：靜態(tài)鏈接庫(kù)和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，而動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)又分為加載時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù);其差別：靜態(tài)鏈接庫(kù)的使用內(nèi)容包含在生成的目標(biāo)代碼中，加載時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是程序載入內(nèi)存時(shí)知道相應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)調(diào)用內(nèi)容同時(shí)調(diào)入內(nèi)存中，而運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)只有在運(yùn)行到需要調(diào)用時(shí)才調(diào)入使用。

3.JTAG

JTAG仿真器也稱為JTAG調(diào)試器，是通過ARM芯片的JTAG邊界掃描口進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備。JTAG仿真器比較便宜，連接比較方便，通過現(xiàn)有的JTAG邊界掃描口與 ARM CPU 核通信，屬于完全非插入式(即不使用片上資源)調(diào)試，它無需目標(biāo)存儲(chǔ)器，不占用目標(biāo)系統(tǒng)的任何端口，而這些是駐留監(jiān)控軟件所必需的。

另外，由于JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行，仿真更接近于目標(biāo)硬件，因此，許多接口問題，如高頻操作限制、AC和DC參數(shù)不匹配，電線長(zhǎng)度的限制等被最小化了。使用集成開發(fā)環(huán)境配合JTAG仿真器進(jìn)行開發(fā)是目前采用最多的一種調(diào)試方式。