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胡志遠(yuǎn)（1982-）男，信息產(chǎn)業(yè)部電子六所碩士研究生，（華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083）,計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，在讀。現(xiàn)于北京和利時(shí)系統(tǒng)工程公司實(shí)習(xí)，研究方向?yàn)楣I(yè)控制語(yǔ)言編譯。
摘要：Gcc是公認(rèn)的功能強(qiáng)大的開(kāi)源編譯器。本文介紹了一種利用Gcc實(shí)現(xiàn)控制器編程語(yǔ)言編譯功能的方案。
關(guān)鍵詞：Gcc；編譯
Abstract: It is well-known that Gcc（Gnu C Compiler）is a powerful “Open Source” compiler. In this paper, we introduce the method to compile the control languages using Gcc.
Key words: Gcc；compile
1 引言
用控制編程語(yǔ)言編寫的算法經(jīng)過(guò)編譯后，通常都會(huì)下裝到控制器中由控制器軟件調(diào)度執(zhí)行，而不是由操作系統(tǒng)直接調(diào)度執(zhí)行。因此，對(duì)編譯生成的二進(jìn)制格式有特殊要求。本文將介紹一種利用Gcc編譯器輔助生成項(xiàng)目所需的特殊格式二進(jìn)制目標(biāo)文件的方案。
2 概述
整體編譯方案如圖1所示。
圖 1 組態(tài)整體編譯方案圖
首先，控制語(yǔ)言經(jīng)過(guò)編譯產(chǎn)生邏輯上等價(jià)的C代碼，然后，編譯模塊對(duì)C文件進(jìn)行編譯處理生成所需特殊格式目標(biāo)文件。
編譯模塊會(huì)借助Gcc工具鏈對(duì)C文件進(jìn)行編譯連接等處理。實(shí)現(xiàn)方案中關(guān)鍵部分有：
（1）通過(guò)修改匯編指令BL，實(shí)現(xiàn)函數(shù)間接地址跳轉(zhuǎn)。
（2）通過(guò)使用Gcc的擴(kuò)展語(yǔ)法__attribute__，輔助鏈接腳本控制鏈接過(guò)程，利用Gcc工具鏈中鏈接器ld對(duì).o文件進(jìn)行鏈接實(shí)現(xiàn)變量指定地址分配。
（3）通過(guò)使用Gcc工具鏈中objdump工具，取得.o文件中重定位信息。
（4）通過(guò)使用Gcc工具鏈中readelf工具，提取.l文件中機(jī)器碼信息以及部分重定位信息。
3 關(guān)鍵技術(shù)介紹
圖 2 編譯模塊處理流程
上圖展示了編譯模塊內(nèi)部處理方案。下面以圖2中所示處理流程為序，介紹編譯過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。
3.1 修改函數(shù)調(diào)用指令
編譯特殊需求：函數(shù)調(diào)用方式要求為間接地址調(diào)用。
Gcc編譯C代碼生成的匯編文件中函數(shù)調(diào)用采用的是相對(duì)地址偏移跳轉(zhuǎn)方式。ARM匯編中，BL指令為函數(shù)調(diào)用指令，為實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用方式改變，我們必須對(duì)所有BL指令進(jìn)行修改。在匯編這個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行修改，而不是.o文件，因?yàn)?o文件修改可能會(huì)破壞相對(duì)地址跳轉(zhuǎn)類指令，例如B指令。
例如：某段C代碼編譯產(chǎn)生的匯編文件中可能出現(xiàn)下面的函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句
bl Fun_No1
這種函數(shù)調(diào)用形式實(shí)際上是相對(duì)地址偏移跳轉(zhuǎn)，不滿足編譯模塊對(duì)函數(shù)調(diào)用方式的特殊需求，為了實(shí)現(xiàn)函數(shù)間接地址跳轉(zhuǎn)，對(duì)函數(shù)調(diào)用匯編語(yǔ)句進(jìn)行修改模擬BL指令動(dòng)作，修改后的匯編形式如下：
b .$L0
.$L1:
.word 52
.$L0:
ldr r8,.$L1
ldr r8,[r8]
mov lr,pc
mov pc,r8
.word 52為Fun_No1的函數(shù)指針地址，該地址需要進(jìn)行重定位，此處重定位信息提取將在提取機(jī)器碼部分介紹。
兩條ldr指令將指針指向地址取出，然后賦給pc實(shí)現(xiàn)函數(shù)間接地址調(diào)用。其中標(biāo)號(hào).$L0中使用符號(hào)$可以保證標(biāo)號(hào)的唯一性，C語(yǔ)言中標(biāo)示符中不可能出現(xiàn)$符號(hào)。
說(shuō)明： BL（Branch and Link）指令，該指令執(zhí)行引起地址跳轉(zhuǎn)到一個(gè)目的地址，并且將函數(shù)返回地址存儲(chǔ)到LR寄存器中；LR寄存器，即Link Register（R14），該寄存器保存BL指令下一條指令的地址，函數(shù)從子例程返回后從該地址開(kāi)始繼續(xù)執(zhí)行；PC寄存器，即Program Counter，可以在大多數(shù)指令中做為一個(gè)指令指針，總是指向當(dāng)前執(zhí)行指令后的第二條指令。所有的ARM指令均四字節(jié)長(zhǎng)。并且總是對(duì)齊到四字節(jié)邊界，所以PC中最低兩位總是0。[1]
3.2 提取重定位信息
編譯特殊需求：搜集目標(biāo)代碼中的重定位信息。
編譯模塊生成的目標(biāo)代碼下裝到控制器后需要重定位才能進(jìn)行IEC運(yùn)算，由于在鏈接后，Gcc在反編譯目標(biāo)代碼已經(jīng)無(wú)法提取重定位信息，所以要在鏈接前提取重定位信息。在連接的過(guò)程中，目標(biāo)代碼的長(zhǎng)度和執(zhí)行順序都沒(méi)有變化，只是操作變量或指針的地址進(jìn)行了重新填充，所以在連接前提取的重定位信息對(duì)鏈接后的代碼同樣適用。
在鏈接前，通過(guò)調(diào)用Gcc工具鏈中的反編譯程序objdump，以-r作為命令行參數(shù)可得到當(dāng)前代碼中需要進(jìn)行重定位的位置信息。即以”objdump -r *.o -o *.r”為參數(shù)啟用新進(jìn)程執(zhí)行反編譯程序objdump，生成包含重定位信息的.r文件。整理.r文件中所有的重定位信息得到最終目標(biāo)文件中的一部分重定位數(shù)據(jù)。另外一部分重定位信息在提取機(jī)器碼階段獲得，在后面內(nèi)容中會(huì)介紹。下面舉例說(shuō)明.r文件中的重定位信息：
執(zhí)行命令objdump –r Test.o結(jié)果如下：
Test.o: file format elf32-bigarm
RELOCATION RECORDS FOR [.text]:
OFFSET TYPE VALUE
00000030 R_ARM_ABS32 AT_VAR
00000064 R_ARM_PC24 .text
... ...
說(shuō)明：由于AutoThinker對(duì)應(yīng)的控制器程序不支持代碼段重定位，只支持?jǐn)?shù)據(jù)段的重定位，所以在提取重定位信息的時(shí)候，只需要提取數(shù)據(jù)段重定位數(shù)據(jù)。例子中TYPE為R_ARM_ABS32的行記錄了數(shù)據(jù)段重定位信息，該行中OFFSET項(xiàng)表明Test.o文件中代碼段偏移0x00000030處開(kāi)始的四字節(jié)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行重定位處理。
3.3 鏈接
編譯模塊特殊需求：實(shí)現(xiàn)變量指定地址分配。
簡(jiǎn)單的講，鏈接器的工作就是解析未定義的符號(hào)引用，將目標(biāo)文件（這里指.o文件）中的占位符替換為符號(hào)的地址。目標(biāo)文件是包括機(jī)器碼和鏈接器可用信息的程序模塊。鏈接器將完成程序中各目標(biāo)文件的地址空間的組織。
每個(gè)鏈接都被一個(gè)鏈接腳本所控制，這個(gè)腳本是用鏈接命令語(yǔ)言書寫的。
鏈接腳本的一個(gè)主要目的是描述輸入文件中的節(jié)如何被映射到輸出文件中，并控制輸出文件的內(nèi)存排布。幾乎所有的鏈接腳本只做這兩件事情。但是，在需要的時(shí)候, 鏈接腳本還可以指示鏈接器執(zhí)行很多其他的操作。[2]
鏈接器一般都有自己默認(rèn)的鏈接腳本，要控制鏈接器的行為，可以過(guò)使用'-T'命令行選項(xiàng)來(lái)提供自己的鏈接腳本。
使用'SECTIONS'命令來(lái)描述輸出文件的內(nèi)存布局。下面內(nèi)容摘自我們編寫的鏈接腳本myld.lds。
SECTIONS
{
. = 0x3008;
.data : { *(.data) }
MySection 0x00203008 : { *(MySection)}
… …
. = 0x0100000;
.text ALIGN(0x00100000) : { *(.text) }
}
說(shuō)明：腳本中命令指示，data段載入到地址0x3008處，text段載入到地址0x100000處，腳本中MySection為我們自己定義的段，對(duì)應(yīng)于C代碼語(yǔ)句：
AT_VAR_T Var_Test __attribute__((section("MySection")));[3]
AT_VAR_T類型變量Var_Test將載入到地址0x00203008開(kāi)始處。__attribute__為Gcc語(yǔ)法擴(kuò)展。一般情況下編譯器將數(shù)據(jù)存放到data段或bss段中，當(dāng)我們有特殊需求，需要將某些變量放到特定段中的時(shí)候可以使用Gcc__attribute__擴(kuò)展語(yǔ)法。上面的C語(yǔ)句定義了新的段MySection，配合鏈接腳本myld.lds的定位功能我們就實(shí)現(xiàn)了變量的指定地址分配。
執(zhí)行鏈接操作的命令如下：
ld –T myld.lds Test.o –o Test.l
ld使用myld.lds作為鏈接腳本，將Test.o文件進(jìn)行鏈接，生成文件Test.l。
3.4 提取機(jī)器碼
編譯特殊需求：以函數(shù)為單位提取出編譯生成得二進(jìn)制機(jī)器碼。
借助Gcc工具鏈中的readelf工具，我們可以從鏈接后的.l文件中提取每個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制機(jī)器碼。
執(zhí)行命令readelf -S -s Test.l結(jié)果如下：
Section Headers:
[Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al
… …
[ 5] .text PROGBITS 00100000 008000 000070 00 AX 0 0 4
… …
Symbol table '.symtab' contains 22 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
… …
18: 00100044 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT 8 .$L1
… …
21: 0010005c 20 FUNC GLOBAL DEFAULT 5 main
Section Headers部分第五行顯示.text段Addr屬性為0x00100000，該值與鏈接腳本中text段載入地址一致；.text段Off屬性為0x008000，該值表明Test.l中偏移0x8000處為text段內(nèi)容。
Symbol table部分第21行內(nèi)容表示，main函數(shù)載入地址0x10005c，函數(shù)長(zhǎng)度20。結(jié)合Section Header中獲得信息，我們可以知道Test.l文件中偏移0x805c（計(jì)算公式：函數(shù)載入地址-text段載入地址+text段在.l文件中的偏移。即，0x10005c - 0x100000 + 0x8000）處開(kāi)始20個(gè)字節(jié)內(nèi)容為main函數(shù)函數(shù)體對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼。
Symbol Table部分第18行內(nèi)容表示C代碼中標(biāo)號(hào)$L1對(duì)應(yīng)機(jī)器碼的載入地址為0x100044，結(jié)合Section Headers中信息，可以知道該標(biāo)號(hào)相對(duì)text段的偏移為0x44，該標(biāo)號(hào)指示位置需要進(jìn)行重定位。此部分重定位信息與objdump提取的重定位信息相結(jié)合就得到了我們所需要的全部重定位信息。
4 結(jié)束語(yǔ)
在嵌入式應(yīng)用中，往往對(duì)編譯功能有種種的特殊需求。通過(guò)運(yùn)用Gcc工具鏈中的各種編譯工具，我們可以定制程序編譯過(guò)程，以滿足特殊的編譯需求。
參考文獻(xiàn)
[1] ARM Limited. ARM Architecture Reference Manual. June 2000.
[2] Free Software Foundation, Inc.ld.info. 2004.
[3] Richard M. Stallman and the GCC Developer Community.Using the GNU Compiler Collection. 2005.
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)