RISC-V MCU编译过程分析

RISC-V MCU编译过程分析

1、前言

使用MounRiver Studio(MRS)这款集成开发环境(IDE)对RISC-V MCU进行嵌入式开发时，工程师不用关注RISC-V MCU 繁杂的底层编译过程，只需用C语言编写相应的工程代码，点击build编译按钮，即可生成hex或bin目标文件，下载后即可运行。

本文将分析点击bulid按键后，.c文件是如何一步一步变为可执行的.hex或.bin文件。

2、编译过程

而将.C文件转变为最终的.hex或.bin目标文件，需要经过预处理、编译、汇编、链接这四个步骤。

建议关闭多线程编译，让整个编译过程按顺序执行。（切记及时打开，以提升编译速度）

可以通过取消MRS的简洁输出模式，Project -> Concise Build Output Mode，观察整个编译过程。

MRS默认是不保存编译过程中的.i和.s等临时文件，为了更好的分析编译的过程，可配置保存这些文件，操作如下：

2.1 预处理（Pre-Processing）

主要包括宏定义（#define），文件包含（#include），条件编译(#ifdef)三部分。

预处理期间将检查包含预处理指令的语句和宏定义，并对其进行响应和替换，并删除程序中的注释和多余空白字符，最后会生成 .i 文件。

2.2 编译（Compiling）

编译器会将预处理完的 .i 文件进行一些列的语法分析，并优化后生成对应的汇编代码，生成 .s 文件。

RISC-V MCU的工程采用GCC编译，官方工具链地址：https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain。

当然，各厂家会根据自家的内核设计，修改对应的工具链以支持其特色功能，如沁恒微电子的RISC-V MCU所特有的HPE硬件压栈和VTF免表中断技术，需要在中断服务函数增加指令 __attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")))，然后在编译时会识别并省略软件压栈的过程。

2.3 汇编（Assembling）

通过汇编器将编译器生成的 .s 汇编程序汇编为机器语言或指令，也就是可以机器可以执行的二进制程序，生成 .o 文件。

2.4 链接（Linking）

根据“*.ld”链接文件将多个目标文件(.o)和库文件(.a)输入文件链接成一个可执行输出文件(.elf)。涉及到对空间和地址的分配以及符号解析与重定位。

3、elf、hex、bin文件说明

使用MRS编译时，最终生成的可执行文件为elf、hex或bin文件，这些文件之间的联系如下：

3.1 elf文件

ELF(Executable and Linkable Format)，可执行与可链接格式。

elf是一种用于二进制文件、可执行文件、目标代码、共享库和核心转储格式文件。是UNIX系统实验室（USL）作为应用程序二进制接口（Application Binary Interface，ABI）而开发和发布的，也是Linux的主要可执行文件格式。

ELF文件记录的信息更多、更复杂。主要包含以下内容：

• ELF头(ELF header) - 描述文件的主要特性：类型，CPU架构，入口地址，现有部分的大小和偏移等等；
• 程序头表(Program header table) - 列举了所有有效的段(segments)和他们的属性。 程序头表需要加载器将文件中的节加载到虚拟内存段中；
• 节头表(Section header table) - 包含对节(sections)的描述。

3.2 hex文件

HEX格式文件由Intel制定的一种十六进制标准文件格式，一种ASCII文本文件。文件的每一行都包含了 一个HEX记录。这些记录是由一些代表机器语言代码和常量的16进制数据组成的。Intel HEX文件常用来传输要存储在ROM 或者 EPROM中的程序和数据。大部分的EPROM编程器和FLASH能使用Intel HEX文件。

格式如下：

行开始	数据长度	地址	数据类型	数据	校验
：	BB	AAAA	TT	D……D	CC
	1字节	2字节	1字节	n字节	1字节

• ：冒号，代表行开始
• BB代表Bytes，数据长度
• AAAA代码Address，表示数据这行数据的存储地址
• TT代表Type，数据类型(标识)
  • 00：数据标识
  • 01：文件结束标识
  • 02：扩展段地址
  • 03：开始段地址
  • 04：线性地址
  • 05：线性开始地址
• D……D代表Data，有效数据
• CC代表CheckSum，校验和

3.3 bin文件

bin是binary的缩写，即二进制文件，全是0或1的文件，最底层的可执行的机器码。只包含程序数据。bin文件的大小直接反应所占flash内存的大小。

3.4 转换关系

因为bin、hex都是只是记录数据的，但elf类型不仅记录数据还有程序描述，所以elf文件通过gcc中的objcopy可转换成hex或bin文件，hex文件也可转换成bin文件，但反之不可。

3.5 总结

bin文件最小最简单，但是安全性差，功能性差，hex包含头尾和检验，就有很好的安全性，但是文件比bin大，功能没有elf强大；elf功能多，但是文件最大。

在使用工程编译结果是，最好有bin或者hex同时具有elf文件，elf用于仿真和调试，但输出的到工厂的文件可以使用hex和bin。