ARM体系结构及接口技术（四）LED灯实验---Makefile文件解析

文章目录

一、汇编版本
二、C语言版本
- （一）Makefile文件
- - 1. `.elf`文件
  - 2. `.map`文件
  - 3. `wildcard`函数
  - 4. `patsubst`函数
- （二）map.lds
- （三）start.S

一、汇编版本

# 工程名对应的变量
NAME=asm-led

# 交叉编译器的前缀的变量，不同的交叉编译器的前缀可能不同
CROSS_COMPILE = arm-linux-gnueabihf-

# arm-linux-gnueabihf-gcc : 编译器
CC = $(CROSS_COMPILE)gcc
# arm-linux-gnueabihf-ld : 链接器
LD = $(CROSS_COMPILE)ld
# arm-linux-gnueabihf-objcopy : 格式化拷贝命令
OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy
# arm-linux-gnueabihf-objdump : 反汇编命令
OBJDUMP = $(CROSS_COMPILE)objdump

# Makefile文件本质是由很多规格构成
# 规则包含：目标，依赖，命令
# 目标:依赖 
# 		(tab键)命令
all:
	@# 将.S文件编译生成.o文件  
	@# -O0 : 代码的优化等级，不优化
	$(CC) -O0 -g -c $(NAME).S -o $(NAME).o
	@# 将.o文件链接生成.elf格式文件
	@# -Ttext:指定程序入口地址,参数为物理地址
	$(LD) -Ttext=0xC0008000 $(NAME).o -o $(NAME).elf
	@# 将.elf文件格式化拷贝生成.bin文件 
	$(OBJCOPY) -O binary $(NAME).elf  $(NAME).bin
	@# 将elf格式文件生成.dis的反汇编文件
	$(OBJDUMP) -D $(NAME).elf > $(NAME).dis
	
clean:
	rm -rf *.elf *.bin *.o *.dis

install:
	sudo cp $(NAME).bin  /mnt/hgfs/share/ 
	@# 拷贝bin文件到共享文件夹中,需要修改为自己的共享文件夹的路径

二、C语言版本

（一）Makefile文件

#CROSS_COMPILE：定义了交叉编译工具链的前缀,
#这里是arm-linux-gnueabihf-，用于编译针对ARM架构的代码。
CROSS_COMPILE = arm-linux-gnueabihf-
#NAME:项目名称，可以在命令行使用NAME参数赋值进行指定 
#如：make NAME=led; 注意此时下载时 make install NAME=led 
NAME = interface
#=============================================================================#
#CFLAGS：定义了C编译器的标志（flags）
#添加gdb调试信息（-g）
#指定ARM架构（-marm）
#显示所有警告(-Wall)
#关闭优化（-O0）选值范围在-O0~-O2,-O2优化等级最高
#指定ABI（-mabi=apcs-gnu）
#启用NEON浮点支持（-mfpu=neon）、指定浮点ABI（-mfloat-abi=softfp）
#禁用内置函数（-fno-builtin）
#不使用标准C库（-nostdinc）
#指定头文件路径（-I）。
CFLAGS += -g -marm -Wall -O0 -mabi=apcs-gnu -mfpu=neon -mfloat-abi=softfp -fno-builtin \
			-nostdinc -I./common/include    -I./include 

#链接命令 		                                       
LD	= $(CROSS_COMPILE)ld
#C编译器
CC	= $(CROSS_COMPILE)gcc
#查看elf文件的符号表信息
NM  = $(CROSS_COMPILE)nm
#二进制格式化拷贝
OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy
#反汇编工具
OBJDUMP = $(CROSS_COMPILE)objdump
#============================================================================#
#OBJSss：使用wildcard函数收集所有的.S（汇编源文件）和.c（C源文件）文件，这些文件来自不同的目录（start/、common/src/、src/以及当前目录）。	
OBJSss 	:= $(wildcard start/*.S) $(wildcard common/src/*.S) $(wildcard *.S)\
		   $(wildcard start/*.c) $(wildcard common/src/*.c) 			   \
		   $(wildcard src/*.c) $(wildcard *.c) 
#OBJSs：将.S文件（汇编源文件）通过patsubst函数转换成.o（目标文件）的形式。
#patsubst 函数被用来将.S 文件（汇编源文件）的列表转换成对应的 .o 文件（目标文件）的列表
OBJSs  	:= $(patsubst %.S,%.o,$(OBJSss))
#OBJS：将OBJSs变量中所有的.c文件（C源文件）也转换成.o（目标文件）的形式。
OBJS 	:= $(patsubst %.c,%.o,$(OBJSs))
#============================================================================#
#$@：所有的目标
#$<：第一个依赖文件
%.o: %.S 
	@echo "  AS      $@"
	@$(CC) $(CFLAGS) -c -o  $@ $<
%.o: %.c
	@echo "  CC      $@"
	@$(CC) $(CFLAGS) -c -o  $@ $<

#目标all依赖于规则clean和$(OBJ)的文件，因此当执行make时，会先执行clean目标，然后编译所有源文件生成.o文件
all:clean  $(OBJS)
	#使用链接器$(LD)链接这些.o文件生成.elf文件
	#-T map.lds 按照map.lds链接脚本文件进行链接
	@echo "  LD      Linking $(NAME).elf"
	@$(LD)  $(OBJS) -T map.lds -o $(NAME).elf
	#接着使用$(OBJCOPY)将.elf文件转换成.bin文件
	@echo "  OBJCOPY Objcopying $(NAME).bin"
	@$(OBJCOPY)  -O binary  $(NAME).elf $(NAME).bin 
	#使用$(NM)生成符号表（.map文件）
	@echo "  MAP     Generating $(NAME).map"
	@$(NM) $(NAME).elf > $(NAME).map 
	#最后使用$(OBJDUMP)生成反汇编代码（.dis文件）
	@echo "  OBJDUMP Objdumping $(NAME).dis"
	@$(OBJDUMP) -DS $(NAME).elf > $(NAME).dis 

#distclean和clean：一个规则可以有多个目标，这两个目标有相同的依赖文件，
#它们都会删除所有的.o文件、.elf文件、.bin文件、.dis文件和.map文件，并打印“CLEAN complete.”消息。
distclean clean:
	@rm -rf $(OBJS) *.elf *.bin *.dis *.map
	@echo "  CLEAN   complete."

install:
	sudo cp $(NAME).bin /mnt/hgfs/Desktop/

执行make时的输出：
在这里插入图片描述

1. `.elf`文件

.elf文件，Executable and Linkable Format（可执行和可链接格式）的缩写，是一种用于二进制文件、可执行文件、目标代码、共享库和核心转储等文件的格式。ELF文件主要用于Linux平台，是Linux下目标文件和可执行文件的标准格式。

objcopy 在将 .elf 文件转换成 .bin 文件时，主要执行的操作是提取 .elf 文件中的二进制代码段（即机器码），并将这些代码段直接写入到 .bin 文件中，而不包含 .elf 文件中的其他部分，如符号表、重定位信息、调试信息等。

2. `.map`文件

.map文件提供关于编译后程序（如可执行文件或库）的符号表、内存布局、段分配等详细信息的视图，是开发者在编译和调试过程中非常有用的工具，它提供了关于程序内存布局和符号表的详细信息，有助于开发者理解程序的行为、查找问题并进行优化。

3. `wildcard`函数

objects := $(wildcard *.o) 让 objects 的值是所有[.o]的文件名的集合

wildcard函数支持在不同路径下搜索文件，并将搜索到的所有符合条件的值的集合返回

4. `patsubst`函数

$(patsubst <pattern>,<replacement>,<text>)

名称：模式字符串替换函数----patsubst。
功能：查找<text>中的单词（单词以“空格”、“Tab”或“回车”“换行”分隔）是否符
合模式<pattern>，如果匹配的话，则以<replacement>替换。这里，<pattern>可以包括通配符“%”，表示任意长度的字串。如果<replacement>中也包含“%”，那么，<replacement>中的这个“%”将是<pattern>中的那个“%”所代表的字串。（可以用“\”来转义，以“\%”来表示真实含义的“%”字符）
返回：函数返回被替换过后的字符串。

OBJS := $(patsubst %.c,%.o,$(OBJSs))
此处patsubst函数会将$(OBJSs)中所有以.c为后缀的文件名的字符串替换为.o为后缀的文件名的字符串。另一句同理
执行完成后OBJS变量中存放的就是所有.c和.S文件更改为.o后缀的文件名的字符串

（二）map.lds

链接脚本（Linker Script）是用于指定如何将程序的各个部分（如代码、数据等）放置到内存中的。

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
/*OUTPUT_FORMAT("elf32-arm", "elf32-arm", "elf32-arm")*/
/*OUTPUT_FORMAT：指定输出文件的格式。这里设置为elf32-littlearm，表示输出文件为32位的小端ARM ELF格式*/

OUTPUT_ARCH(arm)
/*OUTPUT_ARCH：指定输出文件的架构，这里是arm。*/

ENTRY(_start)
/*ENTRY：指定程序的入口点，这里是_start，这通常是C语言程序的第一个执行指令所在的位置。*/

SECTIONS /*SECTIONS部分定义了如何将程序的各个段（section）映射到内存中。*/
{
	. = 0xc0008000;  /*程序的入口地址*/
	/*. = 0xc0008000;：设置当前位置（.）为0xc0008000，这通常是程序的加载地址，也是.text段的开始地址。*/
	
	. = ALIGN(4);    /*对齐*/
	/*. = ALIGN(4);：确保接下来的段从4字节对齐的地址开始。这是为了确保符合ARM架构的对齐要求，提高访问效率。*/
	
	.text :     /*.text段包含了程序的可执行代码,代码段*/
	{
		start/start.o(.text)  
		/*第一个.o文件，start/start.o(.text)：特别指定了start.o文件中的.text段应该首先被包含进来。这通常用于确保启动代码（如设置堆栈、初始化硬件等）首先被执行。*/
		*(.text)   /**(.text)：随后包含所有其他.o文件中的.text段。具体位置，由编译器决定*/
	}
	. = ALIGN(4);
	
    .rodata :     /*只读数据端，.rodata段包含了只读数据，如字符串常量等。*/
	{ *(.rodata) } /* *(.rodata)：包含所有.o文件中的.rodata段。 */
    . = ALIGN(4);
    
    .data :      /*初始化的全局变量，.data段包含了已初始化的全局变量。
*(.data)：包含所有.o文件中的.data段。*/
	{ *(.data) }
    . = ALIGN(4);
    
	__bss_start = .; /*__bss_start = . 定义了一个符号__bss_start，其值为.bss段的开始地址。这可以用于在程序运行时定位.bss段的起始位置。*/
    .bss :      /*.bss段用于存储未初始化的全局变量。在内存中，.bss段通常不占用实际的空间（即不存储具体的值），但在加载时，会为其分配空间并清零。*/
     { *(.bss) } /**(.bss)：包含所有.o文件中的.bss段。*/
	__bss_end__ = .;  /*__bss_end__ = . 定义了另一个符号__bss_end__，其值为.bss段的结束地址。这可以用于计算.bss段的大小或在程序运行时进行其他操作。*/
}

（三）start.S

.text /*这是一个汇编指令，用于指示接下来的代码段应该被放置在程序的文本（即代码）段中。在链接过程中，.text段通常会被放置在可执行文件的开始部分。*/

	.global	_start /*这条指令声明了一个全局符号_start，这是程序的入口点。在链接时，链接器会查找这个符号，并将其地址设置为程序执行时的初始PC（程序计数器）值。*/
_start: /*这是程序的入口点标签。*/
@ 异常向量表
	b reset
	ldr pc, _undefined_instruction
	ldr pc, _software_interrupt
	ldr pc, _prefetch_abort
	ldr pc, _data_abort
	ldr pc, _not_used
	ldr pc, _irq
	ldr pc, _fiq

_undefined_instruction:
	.word undefined_instruction
_software_interrupt:
	.word software_interrupt
_prefetch_abort:
	.word prefetch_abort
_data_abort:
	.word data_abort
_not_used:
	.word not_used
_irq:
	.word irq
_fiq:
	.word fiq
/*这些标签后面跟随的.word指令用于定义这些标签对应的内存地址中存储的值，即异常处理程序的地址。例如，_undefined_instruction: .word undefined_instruction表示在_undefined_instruction标签对应的内存地址中存储undefined_instruction（一个标签或地址，指向未定义指令异常的处理程序）的地址。*/

 /* The actual reset code */
reset:
	@ 重新映射异常向量表的入口地址
	/* Set Vector Base Address Register */
	mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
	bic r0, #(1<<13)
	mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
	ldr	r0,=0xc0008000
	mcr	p15,0,r0,c12,c0,0		@ Vector Base Address Register

	/* Set the cpu to svc32 mode */
	mrs r0, cpsr
	bic r0, r0, #0x1f
	orr r0, r0, #0xd3
	msr cpsr, r0

	/* Enable NEON/VFP unit */
	mrc p15, #0, r1, c1, c0, #2
	orr r1, r1, #(0xf << 20)
	mcr p15, #0, r1, c1, c0, #2
	mov r1, #0
	mcr p15, #0, r1, c7, c5, #4
	mov r0, #0x40000000
	fmxr fpexc, r0

	/* Cache init */
	mrc	p15, 0, r0, c0, c0, 0
	and	r1, r0, #0x00f00000
	and	r2, r0, #0x0000000f
	orr r2, r2, r1, lsr #20-4
	cmp r2, #0x30
	mrceq p15, 0, r0, c1, c0, 1
	orreq r0, r0, #0x6
	mcreq p15, 0, r0, c1, c0, 1

	/* Invalidate L1 I/D */
	mov r0, #0
	mcr	p15, 0, r0, c8, c7, 0
	mcr	p15, 0, r0, c7, c5, 0

	/* Disable mmu stuff and caches */
	mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
	bic r0, r0, #0x00002000
	bic r0, r0, #0x00000007
	orr r0, r0, #0x00001000
	orr r0, r0, #0x00000002
	orr r0, r0, #0x00000800
	mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0

	/* Initialize stacks */
	@ 初始化各种模式下的占空间
init_stack:
	ldr	r0, stacktop        /*get stack top pointer*/

	/********svc mode stack********/
	mov	sp, r0
	sub	r0, #128*4          /*512 byte  for irq mode of stack*/
	/********irq mode stack********/
	msr	cpsr, #0xd2
	mov	sp, r0
	sub	r0, #128*4          /*512 byte  for fiq mode of stack*/
	/********fiq mode stack********/
	msr	cpsr, #0xd1
	mov	sp, r0
	sub	r0, #0
	/********abort mode stack******/
	msr	cpsr, #0xd7
	mov	sp, r0
	sub	r0, #0
	/********undefine mode stack**/
	msr	cpsr, #0xdb
	mov	sp, r0
	sub	r0, #0
    /***sys mode and usr mode stack***/
	msr	cpsr, #0x10
	mov	sp, r0             /*1024 byte  for user mode of stack*/

    /******clear bss section********/
	@ 清除BSS段
	ldr	r0, =__bss_start	/* this is auto-relocated! */
	ldr	r1, =__bss_end__	/* this is auto-relocated! */
	mov	r2, #0x00000000		/* prepare zero to clear BSS */

clbss_l: 
	cmp r0, r1			/* while not at end of BSS */
	strlo r2, [r0]			/* clear 32-bit BSS word */
	addlo r0, r0, #4		/* move to next */
	blo	clbss_l

	/* Call _main */
	ldr pc, =main     @ 汇编调用C  跳转到main.c文件的main函数中
/*
 * Exception handlers
 */
	.align 5  // 2的5次方，=32bit 也就是4字节对其
undefined_instruction:
	b	.

	.align 5
software_interrupt:
	b	.

	.align 5
prefetch_abort:
	b	.

	.align 5
data_abort:
	b	.

	.align 5
not_used:
	b	.

	.align 5
	.global irq
irq:
	sub  lr, lr, #4
	stmfd sp!, {r0-r12, lr}
	bl do_irq
	ldmfd sp!, {r0-r12, pc}^

	.align 5
	.global fiq
fiq:
	b .
stacktop:    .word 		stack + 4 * 512
.data

stack:	 .space  4 * 512