《嵌入式系统的原理及应用》课程讲义58.docx
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《嵌入式系统的原理及应用》课程讲义58
《嵌入式系统的原理及应用》课程讲义5-8
第5次课:
嵌入式Linux应用程序开发(10学时)
主要介绍3个方面的内容:
(1)Linux开发环境的建立;
(2)GNUgcc交叉编译器;
(3)Makefile文件书写规则。
第3章嵌入式Linux应用程序开发
传统的嵌入式开发环境需要单片机的仿真器,包括C语言、汇编语言、调试工具等的集成开发环境IDE、实时操作系统等。
购买一个仿真器一般要花上千元,购买C编译器或IDE也要花几千元以上,而购买实时操作系统则要花上十万元乃至几十万元。
由于Flash技术的发展,特别是一些CPU可以用JTAG口在背景模式BDM(BackgroundDebugMode)下调试,故仿真器已可以省去。
随着BDM调试工具的标准化,BDM调试工具会变得越来越简单、越来越通用,一些BDM调试工具已经简单到仅仅在PC机并行口和单片机的JTAG接口之间加一道5~3.3V的缓冲,自制BDM调试工具变得越来越容易。
软件方面,Linux下的自由软件GNUgcc可以完成几乎所有知名CPU以及DSP的交叉C编译和调试,故IDE可以省去。
至于操作系统,uClinux、RTLinux、μC/OS等源码开放的、免费的嵌入式操作系统也都性能稳定可靠。
因此,全部使用遵循GPL的自由软件开发嵌入式应用无疑是一种不错的选择。
Linux是遵循GPL的自由软件的典型代表。
然而,使用自由软件有一定的难度,例如如果采用Linux,首先要熟悉Linux的使用,学会看Linux下的帮助信息。
然后是学会遇到问题如何解决。
向高手请教是解决问题的办法之一。
还有一个方法是上BBS,在网上搜索,因为你遇到的问题其他人以前或许也遇到过,解决办法可能网上就有。
再有一个办法就是直接给作者发电子邮件。
自由软件有源码、大多都有作者的Email地址。
使用Linux下的GNUgcc等软件的难点主要在使用环境的建立上,一旦使用环境建立起来了,仅仅是使用并不难。
在国外,这部分工作有专门的系统管理员为你做好,而国内这部分工作往往要自己做,故增加了Linux系统的使用难度。
以GNUgcc为例,根据经验,建立并熟悉使用的过程大约需要2个月的时间。
而熟悉一个买来的商业软件也需要2周乃至1个月的时间。
也就是说,买商业软件可以节省1个月的时间。
使用自由软件开发嵌入式应用的意义决不仅限于经济上节省开支。
学习使用Linux下自由软件的过程,实际上是培养IT高手的过程。
提倡使用自由软件将造就一大批有共同语言的精英。
3.1Linux开发环境的建立
用Linux开发嵌入式应用,可以在自己的PC机上装一套Linux,例如,RedHatLinux。
可以使用Linux中的Xwindows(xterm)开若干个窗口用于编译、下载、调试等;可以使用Linux中的emacs作文本编译。
Windows中有的软件在Linux中几乎都有。
但由于多数人对Linux环境和Linux中的应用程序不熟悉,宁愿用PC上基于Windows的操作系统,此时可以在Windows环境下安装VMware虚拟机软件。
VMWare的Windows版本能够在Windows环境下开出Linux的窗口,但VMWare不是自由软件,实验室现在正在用这种方式。
另一种办法是用1台PC机运行Linux作为服务器。
开发小组中每个成员都可以通过局域网用Telnet登录到这台Linux服务器上去,被开发的目标板也挂在网上。
在服务器的Linux环境下,用GNUgcc编译生成目标代码,再用FTP传回到自己的PC机上,然后通过串行口或网络下载到目标机上。
BDM工具主要用于硬件调试。
因为BDM工具的支持软件也是Linux下的自由软件,故BDM工具只能接在Linux服务器的并口上。
硬件调试完成后,可以把Debug程序写入Flash,然后就不需要BDM工具了。
检验开发环境是否建立好了得有1块目标板。
在开发环境建立起来之前,冒然设计自己的硬件,难度较大。
可以用商家提供的评估板作为目标板先把开发环境建立起来。
可以通过用GNUgcc编译Linux然后下载到目标板上运行的办法来熟悉Linux下GNUgcc的开发环境,检验开发环境是否已建立好。
如果是购买第3方的硬件,则要特别小心。
有些恶劣厂商的产品的确可以运行Linux,但其是在软件或硬件中做了些陷阱,使用户只能用他的硬件。
3.2交叉编译器和工程管理器make
3.2.1GNUgcc
“交叉编译器”一词,看上去很玄乎,实际上很简单。
如果大家学了单片机就比较容易理解。
不少同学用过C51。
实际上C51就是一个典型的交叉编译器。
理由很简单:
C51的编译器是在PC机上使用的,然而编译出来的目标码却不能在PC机上运行,只能下载到单片机上才能运行。
编译的最主要的工作就在将你的程序转化成运行该程序的CPU所能识别的机器代码,不同的CPU有相应的编译器,另一方面。
编译器本身也是程序,当然也要在某一个CPU平台上运行。
于是交叉编译的交叉点就在那个编译器本身是CPU1上的一个程序,却在为CPU2编译代码。
当然,假如在你的ARM系统上,操作系统已经正常运行,并且你的资源足够多,你可以把PC机上运行的ARM编译工具移植到ARM上,然后所有该系统的应用程序都直接在ARM系统上编译,这就不算交叉编译,但如果有条件这么作,程序的开发或者移植就方便多了,因为整个开发过程又回到在自己PC机上编应用程序的那种模式了,那就是在自己的地盘上用自己的编译器编自己的应用程序。
与不使用操作系统的开发模式不同(此处的操作系统尤其指提供了专门的接口函数库的操作系统,目前的UCOS就不算),在目标板(就是实现系统的板子)使用操作系统的开发模式下,交叉编译环境中还需要该对应该操作系统的库。
比如uClinux提供的uClibc。
此时,开发用的主机上不光要有目标板CPU所需的编译工具,还要有对应操作系统的库,又因为一般库文件还要在开发机上拿目标CPU的编译器重新编译一下,所以还要把操作系统的原码也放到开发机上。
虽然操作系统的接口库至关重要,但大家似乎已经淡忘了它的存在。
这些多是因为大家已经远离了刀耕火种的年代(需要告诉编译器需要的include路径,lib路径,以及lib的名称),集成的编译环境让我们编译链接的所有繁琐工作化作对BUILD按钮的潇洒一击。
而且不论是windows环境,还是linux环境,都有环境变量去记录这些参数。
但尝试将/usr/lib目录改一个名字,你就会知道你不能无视他们的存在,因为操作系统的功能都是通过这些库来交给应用层程序使用的。
当然如果你的系统不依靠任何操作系统,像最原始的那种完全自己实现所有代码,就只需要一个编译工具,少了这些罗嗦事。
以上的东西一般时候是没有必要仔细研究,但交叉环境下开发或移植比较大的程序时,你可能就需要了解编译器,链接器等开发工具的几乎所有重要参数。
运行于Linux操作系统下的自由软件GNUgcc编译器,不仅可以编译Linux操作系统下运行的应用程序、编译Linux本身,还可以作交叉编译,编译运行于其它CPU上的程序。
可以作交叉编译的CPU(或DSP)涵盖了几乎所有知名厂商的产品。
用于嵌入式应用的、众所周知的CPU包括:
Intel的i386、Intel960、AMD29K、ARM、M32、MIPS、M68K、ColdFare、PowerPC、68HC11/12、TI的TMS32等等。
详细列表可查看http:
//gcc.gnu.org/reading网站。
GNUgcc编译器是一套完整的交叉C编译器,包括:
◇C交叉编译器gcc;
◇交叉汇编工具as;
◇反汇编工具objdump;
◇连接工具Ld;
◇调试工具gbd。
常用的交叉编译器为3.4.1和2.95.3两个版本。
可以直接下载编译好的交叉编译器,自己去重新编译一下意义不是很大。
(1)gcc的基本规则
Linux系统下的gcc(GNUCCompiler)是GNU推出的功能强大、性能优越的多平台编译器,是GNU的代表作品之一。
gcc是可以在多种硬体平台上编译出可执行程序的超级编译器,其执行效率与一般的编译器相比平均效率要高20%~30%。
gcc编译器能将C、C++语言源程序、汇程式化序和目标程序编译、连接成可执行文件,如果没有给出可执行文件的名字,gcc将生成一个名为a.out的文件。
在Linux系统中,可执行文件没有统一的后缀,系统从文件的属性来区分可执行文件和不可执行文件。
而gcc则通过后缀来区别输入文件的类别,下面我们来介绍gcc所遵循的部分约定规则。
.c为后缀的文件:
C语言源代码文件;
.a为后缀的文件:
是由目标文件构成的档案库文件;
.C,.cc或.cxx为后缀的文件:
是C++源代码文件;
.h为后缀的文件:
是程序所包含的头文件;
.i为后缀的文件:
是已经预处理过的C源代码文件;
.ii为后缀的文件:
是已经预处理过的C++源代码文件;
.m为后缀的文件:
是Objective-C源代码文件;
.o为后缀的文件:
是编译后的目标文件;
.s为后缀的文件:
是汇编语言源代码文件;
.S为后缀的文件:
是经过预编译的汇编语言源代码文件。
(2)gcc的执行过程
虽然我们称gcc是C语言的编译器,但使用gcc由C语言源代码文件生成可执行文件的过程不仅仅是编译的过程,而是要经历四个相互关联的步骤∶预处理(也称预编译,Preprocessing)、编译(Compilation)、汇编(Assembly)和连接(Linking)。
命令gcc首先调用cpp进行预处理,在预处理过程中,对源代码文件中的文件包含(include)、预编译语句(如宏定义define等)进行分析。
接着调用cc1进行编译,这个阶段根据输入文件生成以.o为后缀的目标文件。
汇编过程是针对汇编语言的步骤,调用as进行工作,一般来讲,.S为后缀的汇编语言源代码文件和汇编、.s为后缀的汇编语言文件经过预编译和汇编之后都生成以.o为后缀的目标文件。
当所有的目标文件都生成之后,gcc就调用ld来完成最后的关键性工作,这个阶段就是连接。
在连接阶段,所有的目标文件被安排在可执行程序中的恰当的位置,同时,该程序所调用到的库函数也从各自所在的档案库中连到合适的地方。
(3)gcc的基本用法和选项
在使用gcc编译器的时候,我们必须给出一系列必要的调用参数和文件名称。
gcc编译器的调用参数大约有100多个,其中多数参数我们可能根本就用不到,这里只介绍其中最基本、最常用的参数。
gcc最基本的用法是:
gcc[options][filenames]
其中options就是编译器所需要的参数,filenames给出相关的文件名称。
其中[options]的值可以为下列值:
-c,只编译,不连接成为可执行文件,编译器只是由输入的.c等源代码文件生成.o为后缀的目标文件,通常用于编译不包含主程序的子程序文件。
-ooutput_filename,确定输出文件的名称为output_filename,同时这个名称不能和源文件同名。
如果不给出这个选项,gcc就给出预设的可执行文件a.out。
-g,产生符号调试工具(GNU的gdb)所必要的符号资讯,要想对源代码进行调试,我们就必须加入这个选项。
-O,对程序进行优化编译、连接,采用这个选项,整个源代码会在编译、连接过程中进行优化处理,这样产生的可执行文件的执行效率可以提高,但是,编译、连接的速度就相应地要慢一些。
-O2,比-O更好的优化编译、连接,当然整个编译、连接过程会更慢。
-Idirname,将dirname所指出的目录加入到程序头文件目录列表中,是在预编译过程中使用的参数。
C程序中的头文件包含两种情况∶
A)#include
B)#include“myinc.h”
其中,A类使用尖括号(<>),B类使用双引号(“”)。
对于A类,预处理程序cpp在系统预设包含文件目录(如/usr/include)中搜寻相应的文件,而对于B类,cpp在当前目录中搜寻头文件,这个选项的作用是告诉cpp,如果在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。
在程序设计中,如果我们需要的这种包含文件分别分布在不同的目录中,就需要逐个使用-I选项给出搜索路径。
-Ldirname,将dirname所指出的目录加入到程序函数档案库文件的目录列表中,是在连接过程中使用的参数。
在预设状态下,连接程序ld在系统的预设路径中(如/usr/lib)寻找所需要的档案库文件,这个选项告诉连接程序,首先到-L指定的目录中去寻找,然后到系统预设路径中寻找,如果函数库存放在多个目录下,就需要依次使用这个选项,给出相应的存放目录。
-lname,在连接时,装载名字为“libname.a”的函数库,该函数库位于系统预设的目录或者由-L选项确定的目录下。
例如,-lm表示连接名为“libm.a”的数学函数库。
上面我们简要介绍了gcc编译器最常用的功能和主要参数选项,更为详尽的资料可以参看Linux系统的联机帮助。
(4)十个自问自答的问题
为了更加详细的说明GCC参数极其相关的使用方法,我们再换一种方式来说明,以下为自问自答的十个问题:
①gcc包含的c/c++编译器
gcc、cc、c++、g++;gcc和cc是一样的,c++和g++是一样的,一般c程序就用gcc编译,c++程序就用g++编译
②gcc的基本用法
gcctest.c这样将编译出一个名为a.out的程序,gcctest.c-otest这样将编译出一个名为test的程序,-o参数用来指定生成程序的名字。
③为什么会出现undefinedreferenceto'xxxxx'错误?
首先这是链接错误,不是编译错误,也就是说如果只有这个错误,说明你的程序源码本身没有问题,是你用编译器编译时参数用得不对,你没有指定链接程序要用到得库,比如你的程序里用到了一些数学函数,那么你就要在编译参数里指定程序要链接数学库,方法是在编译命令行里加入-lm
④-l参数和-L参数
-l参数就是用来指定程序要链接的库,-l参数紧接着就是库名,那么库名跟真正的库文件名有什么关系呢?
就拿数学库来说,他的库名是m,他的库文件名是libm.so,很容易看出,把库文件名的头lib和尾.so去掉就是库名了。
好了现在我们知道怎么得到库名,当我们自已要用到一个第三方提供的库名字libtest.so,那么我们只要把libtest.so拷贝到/usr/lib里,编译时加上-ltest参数,我们就能用上libtest.so库了(当然要用libtest.so库里的函数,我们还需要与libtest.so配套的头文件)。
放在/lib和/usr/lib和/usr/local/lib里的库直接用-l参数就能链接了,但如果库文件没放在这三个目录里,而是放在其他目录里,这时我们只用-l参数的话,链接还是会出错,出错信息大概是:
“/usr/bin/ld:
cannotfind-lxxx”,也就是链接程序ld在那3个目录里找不到libxxx.so,这时另外一个参数-L就派上用场了,比如常用的X11的库,它在/usr/X11R6/lib目录下,我们编译时就要用-L/usr/X11R6/lib-lX11参数,-L参数跟着的是库文件所在的目录名。
再比如我们把libtest.so放在/aaa/bbb/ccc目录下,那链接参数就是-L/aaa/bbb/ccc–ltest。
另外,大部分libxxxx.so只是一个链接,以RH9为例,比如libm.so它链接到/lib/libm.so.x,/lib/libm.so.6又链接到/lib/libm-2.3.2.so,如果没有这样的链接,还是会出错,因为ld只会找libxxxx.so,所以如果你要用到xxxx库,而只有libxxxx.so.x或者libxxxx-x.x.x.so,做一个软链接就可以了
ln-slibxxxx-x.x.x.solibxxxx.so
手工来写链接参数总是很麻烦的,还好很多库开发包提供了生成链接参数的程序,名字一般叫xxxx-config,一般放在/usr/bin目录下,比如gtk1.2的链接参数生成程序是gtk-config,执行gtk-config--libs就能得到以下输出"-L/usr/lib-L/usr/X11R6/lib-lgtk-lgdk-rdynamic-lgmodule-lglib-ldl-lXi-lXext-lX11-lm",这就是编译一个gtk1.2程序所需的gtk链接参数,xxx-config除了--libs参数外还有一个参数是--cflags用来生成头文件包含目录的,也就是-I参数,在下面我们将会讲到。
你可以试试执行gtk-config--libs--cflags,看看输出结果。
现在的问题就是怎样用这些输出结果了,最简单的方法就是复制粘贴或者照抄,聪明的办法是在编译命令行里加入这个`xxxx-config--libs--cflags`,比如编译一个gtk程序:
gccgtktest.c`gtk-config--libs--cflags`这样就差不多了。
注意`不是单引号,而是1键左边那个键。
除了xxx-config以外,现在新的开发包一般都用pkg-config来生成链接参数,使用方法跟xxx-config类似,但xxx-config是针对特定的开发包,但pkg-config包含很多开发包的链接参数的生成,用pkg-config--list-all命令可以列出所支持的所有开发包,pkg-config的用法就是pkg-configpagName--libs--cflags,其中pagName是包名,是pkg-config--list-all里列出名单中的一个,比如gtk1.2的名字就是gtk+,pkg-configgtk+--libs--cflags的作用跟gtk-config--libs--cflags是一样的。
比如:
gccgtktest.c`pkg-configgtk+--libs--cflags`
⑤-include和-I参数
-include用来包含头文件,但一般情况下包含头文件都在源码里用#includexxxxxx实现,-include参数很少用。
-I参数是用来指定头文件目录,/usr/include目录一般是不用指定的,gcc知道去那里找,但是如果头文件不在/usr/include里我们就要用-I参数指定了,比如头文件放在/myinclude目录里,那编译命令行就要加上-I/myinclude参数了,如果不加你会得到一个"xxxx.h:
Nosuchfileordirectory"的错误。
-I参数可以用相对路径,比如头文件在当前目录,可以用-I.来指定。
上面我们提到的--cflags参数就是用来生成-I参数的。
⑥-O参数
这是一个程序优化参数,一般用-O2就是用来优化程序用的,比如gcctest.c-O2,优化得到的程序比没优化的要小,执行速度可能也有所提高
⑦-shared参数
编译动态库时要用到,比如gcc-sharedtest.c-olibtest.so
⑧几个相关的环境变量
PKG_CONFIG_PATH:
用来指定pkg-config用到的pc文件的路径,默认是/usr/lib/pkgconfig,pc文件是文本文件,扩展名是.pc,里面定义开发包的安装路径,Libs参数和Cflags参数等等。
CC:
用来指定c编译器
CXX:
用来指定cxx编译器
LIBS:
跟上面的--libs作用差不多
CFLAGS:
跟上面的--cflags作用差不多
CC,CXX,LIBS,CFLAGS手动编译时一般用不上,在做configure时有时用到,一般情况下不用管。
环境变量设定方法:
exportENV_NAME=xxxxxxxxxxxxxxxxx
⑨关于交叉编译
交叉编译通俗地讲就是在一种平台上编译出能运行在体系结构不同的另一种平台上,比如在我们地PC平台(X86CPU)上编译出能运行在sparcCPU平台上的程序,编译得到的程序在X86CPU平台上是不能运行的,必须放到sparcCPU平台上才能运行。
当然两个平台用的都是linux,这种方法在异平台移植和嵌入式开发时用得非常普遍。
相对与交叉编译,我们平常做的编译就叫本地编译,也就是在当前平台编译,编译得到的程序也是在本地执行。
用来编译这种程序的编译器就叫交叉编译器,相对来说,用来做本地编译的就叫本地编译器,一般用的都是gcc,但这种gcc跟本地的gcc编译器是不一样的,需要在编译gcc时用特定的configure参数才能得到支持交叉编译的gcc。
为了不跟本地编译器混淆,交叉编译器的名字一般都有前缀,比如sparc-xxxx-linux-gnu-gcc,sparc-xxxx-linux-gnu-g++等等。
⑩交叉编译器的使用方法
使用方法跟本地的gcc差不多,但有一点特殊的是:
必须用-L和-I参数指定编译器用sparc系统的库和头文件,不能用本地(X86)的库(头文件有时可以用本地的)例子:
sparc-xxxx-linux-gnu-gcctest.c-L/path/to/sparcLib
-I/path/to/sparcInclude
(5)gcc的错误类型及对策
gcc编译器如果发现源程序中有错误,就无法继续进行,也无法生成最终的可执行文件。
为了便于修改,gcc给出错误资讯,我们必须对这些错误资讯逐个进行分析、处理,并修改相应的语言,才能保证源代码的正确编译连接。
gcc给出的错误资讯一般可以分为四大类,下面我们分别讨论其产生的原因和对策。
第一类∶C语法错误
错误信息∶文件source.c中第n行有语法错误(syntexerror)。
这种类型的错误,一般都是C语言的语法错误,应该仔细检查源代码文件中第n行及该行之前的程序,有时也需要对该文件所包含的头文件进行检查。
有些情况下,一个很简单的语法错误,gcc会给出一大堆错误,我们最主要的是要保持清醒的头脑,不要被其吓倒,必要的时候再参考一下C语言的基本教材。
第二类∶头文件错误
错误信息∶找不到头文件head.h(Cannotfindincludefilehead.h)。
这类错误是源代码文件中的包含头文件有问题,可能的原因有头文件名错误、指定的头文件所在目录名错误等,也可能是错误地使用了双引号和尖括号。
第三类∶档案库错误
错误信息∶连接程序找不到所需的函数库,例如∶
ld:
-lm:
Nosuchfileordirectory
这类错误是与目标文件相连接的函数库有错误,可能的原因是函数库名错误、指定的函数库所在目录名称错误等,检查的方法是使用find命令在可能的目录中寻找相应的函数库名,确定档案库及目录的名称并修改程序中及编译选项中的名称。
第四类∶未定义符号
错误信息∶有未定义的符号(Undefinedsymbol)。
这类错误是在连接过程中出现的,可能有两种原因∶一是使用者自己定义的函数或者全局变量所在源代码文件,没有被编译、连接,或者干脆还没有定义,这需要使用者根据实际情况修改源程序,给出全局变量或者函数的定义体;二是未定义的符号是一个标准的库函数,在源程序中使用了该库函数,而连接过程中还没有给定相应的函数库的名称,或者是该档案库的目录名称有问题,这时需要使用档案库维护命令ar检查我们需要的库函数到底位于哪一个函数库中,确定之后,修改gcc连接选项中的-l和-L项。
排除编译、连接过程中的错误,应该说这只是程序设
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