GCC编译器原理（一）------交叉编译器制做和GCC组件及命令

1.1 交叉编译器制做

默认安装的 GCC 编译系统所产生的代码适用于本机，即运行 GCC 的机器，但也可将 GCC 安装成可以生成其余的机器代码。安装一些必须的模块，就可产生多种目标机器代码，并且可经过命令行选择一种但愿使用的代码。

1.1.1 目标机

从网站 http://gcc.gnu.org/install/specific.html 能够获得有可能的最新目标机列表。在此站点中可找到更新过的目标机列表，以及向各类目标机进行移植的最新信息。关于每种可能的目标机都有一个简短介绍，能够查找说明获得有关移植的一些特殊需求。已知目标的列表很是长，并且也总在加入一些新端口。

1.1.2 建立交叉编译器---crosstool-ng

当前已经不须要咱们从源码上进行编译安装一个交叉编译器了，咱们能够经过工具crosstool-ng 或是 buildroot 工具来进行交叉编译器的制做

（1）下载

能够在官网上面直接下载

官网：http://crosstool-ng.github.io/

也能够经过git命令直接进行clone下载：

git clone https://github.com/crosstool-ng/crosstool-ng

直接执行git clone命令会在你的工做目录中创建一个crosstool-ng目录，里面存放的是源码。

（2）安装

能够进入以下网站查看具体的安装帮助信息：http://crosstool-ng.github.io/docs/

• 进入crosstool-ng的源码目录，执行以下命令进行配置： ./configure --prefix=/some/place
  • /some/place是本身的主机上的路径。
  • ./configure命令会检查出本身的主机上缺乏哪些软件环境，检查出来了逐一安装便可。
• 执行make命令
• 执行make install命令
  • 注意以上两个命令可能会报权限不足，在命令前面加sudo解决
• 将编译出来的bin文件加入到临时环境变量： export PATH="${PATH}:/some/place/bin"
  • 此环境变量只在当前终端中有效，关闭或者切换终端后当即失效。
  • 若要在主机的任何地方任何终端上使用，必须将环境变量写入 .bashrc中去：
    • 能够经过echo命令将其写入 .bashrc中，以下所示：
      • export PATH=/some/place/bin:$PATH
      • 使之生效：source /etc/bash.bashrc
    • 或者执行软连接也能够：sudo ln -s /some/place/bin/ct-ng /usr/local/bin/ct-ng

（3）测试

安装成功后，执行 ct-ng 命令会打印以下信息：

（4）创建S3C2440交叉编译工具链

【1】创建文件夹

创建工做文件夹：

rk3399@rk3399:~/work/tools/toolchain$ mkdir S3C2440_work src S3C2440

• S3C2440_work：为S3C2440交叉编译工具链的工做目录
• Src：存放下载下来的工具软件源码包
• S3C2440：存放交叉编译工具链

【2】查看支持的交叉编译工具链类型

执行命令：ct-ng list-samples

里面会列出不少的交叉编译工具样本。介绍ARM的几种：

• arm-unknown-eabi：基于裸板的，即无操做系统
• arm-unknown-linux-gnueabi 是基于linux的
• arm-unknown-linux-uclibcgnueabi是为uclinux用的。
• arm-cortex_a8-linux-gnueabi为cortex-a8用的。
• arm-cortexa9_neon-linux-gnueabihf：为cortex-a9带neon用的，exynos4412就能够用此种

S3C2440选择arm-unknown-linux-gnueabi 此种编译器。

全部的支持的编译器存放在rk3399@rk3399:~/work/tools/crosstool-ng/samples 此目录下。将其arm-unknown-linux-gnueabi 中的文件拷贝到咱们创建的S3C2440_work目录下。

【3】工程配置

进入S3C2440_work目录中，将crosstool.config 文件更名为 .config，而后执行 ct-ng menuconfig命令进行配置

• Paths and misc options：
  • Local tarballs directory：源码包存放位置，修改成 /home/rk3399/work/tools/toolchain/src
  • Prefix directory ：交叉编译工具链存放位置，home/rk3399/work/tools/toolchain/S3C2440
  • Number of parallel jobs：工做线程，根据本身的CPU是多少核来选。
• Target options：
  • Target Architecture：默认是ARM
  • Default instruction set mode：指令集模式，默认为ARM
  • Architecture level：架构指令集，S3C2440为armv4t
  • Emit assembly for CPU：指定目标处理器的名称，GCC经过这个名字来决定经过汇编代码来生成哪一种指令。填入 arm9tdmi
  • Tune for CPU：新版本中填入上面两个选项就没有这个选项了，就管了。
  • Floating point：浮点类型，能够看芯片手册的方框图，看找不找不到对应的浮点数类型，S3C2440没有硬件浮点，选择软件浮点。softfp (FPU)
• Toolchain options：
  • Tuple's vendor string：编译器前缀，设为s3c2440，编译以后就为arm-s3c2440-linux-gnueabi-
  • Tuple's alias：给产生的交叉编译工具起个别名，设置别名，这样会给每一个工具建立一个软连接，好比arm-linux-gcc连接到到 arm-unknown-linux-gnueabi-gcc，能够省去本身创建软连接的功夫。设置为
• Operating System：
  • Source of linux：linux源码，这里没有本身须要的源码包，能够在 .config中修改配置，系统会自动去下载。
• 剩余的其余选项保持默认便可。

架构和处理器名称，能够在芯片手册的方框图中找到，以下：

【4】编译

执行命令 ct-ng build 便可开始编译。

制做完成会打印出下面的语句：

（5）制做 exynos 4412 编译器

基本步骤与上面相似，不一样的是在crosstool-ng中编译器的选择方面和工程配置上面。

Exynos 4412 选择的是 arm-cortexa9_neon-linux-gnueabihf 编译器，exynos 4412自己就是带neon的，处理器自己就是属于cortexa9系列。

配置上只是更改下Target options 中的内容：

• Target options：
  • Architecture level：架构指令集为armv7a
  • Emit assembly for CPU：指定目标处理器的名称为cortex-a9
  • Floating point：与2440不一样的是，a9系列带应浮点，也就是neon，这里要选择硬件浮点
  • Use specific FPU：这里要填上 neon

以后就是保存编译了。

1.1.3 编译程序的功能

编译程序是一个翻译器。它读入一种语言格式的指令（一般是文本形式的编程语言），并将它们翻译成可在计算机上运行的指令集合（一般是二进制硬件指令的集合）。

• 编译程序能够分为两部分：前端和后端。
  • 前端读出程序的源代码，将找到的内容以树的形式转换到内存驻留表（memory-resident table）中。一旦构造了该树，编译程序的后端就会读出树中保存的信息，并将它们转换成目标机器上的汇编语言。
  • 将源文件翻译成可执行程序的大体步骤：
    • 词法分析是编译程序前端的最开始部分。它从输入中读出字符，肯定哪些是在一块儿的，造成符号、数字和标点符号。
    • 语法分析处理会读入来自词法浏览器的符号流，以及后面跟着的一个规则集合，肯定它们之间的关系。 语法分析器的输出结果是树结构， 会被传递给编译程序的后端。
    • 语法分析树结构会被翻译成伪汇编语言（psuedo-assembly language） ，叫作寄存器传送语言（Register Transfer Language，RTL）。
    • 编译程序的后端由分析 RTL 代码开始，而后执行一些优化操做。代码中冗余和未被使用的部分会被去掉。树中有些部分会被移动到其余位置以防止语句被没必要要地屡次执行。总的说来，有十个以上的优化操做，并且有些优化操做会屡次浏览代码。
    • RTL 被翻译成目标机器上的汇编语言。
    • 激活汇编器去将汇编语言翻译成目标文件。该文件不是可执行格式——它包括可执行的目标代码，但并非最终运行的形式。另外，它更可能包括未解析的到其余模块例程和数据的引用。
    • 链接程序未来自汇编器的目标文件（其中有些可能保存在包含目标文件的库中）组合成可执行程序。
• 全部的命令行选项大体可分为三类：
  • 指定语言 GCC 编译程序有能力编译多种语言，有些选项只可用于其中的一两种。例如，-C89 选项只应用于 C 语言，指定适用于 1989 年的标准。
  • 指定平台 GCC 编译程序能够为多种平台生成目标代码，而有些选项只能应用于为某个指定平台生成代码。例如，若是输出平台是 Intel 386，那么-fp-ret-in-387 选项可用来指出要将函数调用返回的浮点数保存在硬件的浮点寄存器中。
  • 普适 不少选项对全部语言和平台都适用。例如，-O 选项指示编译程序要优化输出代码。

例子：gcc -ansi -c muxit.c -o muxit.o

• -ansi 便是指定语言

1.2 GCC组件及命令

1.2.1 GCC组件

GCC 是由许多组件组成的，但它们也并不老是出现的。有些部分是和语言相关的，因此若是没有安装某种特定语言，系统中就不会出现相关的文件。

组件	描述
c++	gcc 的一个版本，默认语言设置为 C++，并且在链接的时候自动包含标准 C++库。这和g++同样
cc1	实际的 C 编译程序
cc1plus	实际的 C++编译程序
collect2	在不使用 GNU 链接程序的系统上， 有必要运行 collect2 来产生特定的全局初始化代码 （例如 C++的构造函数和析构函数）
configure	GCC 源代码树根目录中的一个脚本。用于设置配置值和建立 GCC 编译程序必需的 make程序的描述文件
crt0.o	这个初始化和结束代码是为每一个系统定制的，并且也被编译进该文件，该文件而后会被链接到每一个可执行文件中来执行必要的启动和终止程序
cygwin1.dll	Windows 的共享库提供的 API，模拟 UNIX 系统调用
f77	该驱动程序可用于编译 Fortran
f771	实际的 Fortran 编译程序
g++	gcc 的一个版本，默认语言设置为 C++，并且在连接的时候自动包含标准 C++库。这和 c++ 是同样的
gcc	该驱动程序用于执行编译程序和链接程序以产生须要的输出
gcj	该驱动程序用于编译 Java
gnat1	实际的 Ada 编译程序
gnatbind	一种工具，用于执行 Ada 语言绑定
gnatlink	一种工具，用于执行 Ada 语言链接
jc1	实际的 Java 编译程序
libgcc	该库包含的例程被做为编译程序的一部分，是由于它们可被链接到实际的可执行程序中。它们是特殊的例程，链接到可执行程序，来执行基本的任务，例如浮点运算。这些库中的例程一般都是平台相关的
libgcj	运行时库包含全部的核心 Java 类
libobjc	对全部 Objective-C 程序都必须的运行时库
libstdc++	运行时库，包括定义为标准语言一部分的全部的 C++类和函数

 

1.2.2 GCC 编译器命令

GCC的命令不少，经常使用的选项以下：

选项	描述
-c	只编译不连接。 会明确指示 GCC 去编译源代码，在硬盘上留下目标文件，且跳过将目标文件链接到可执行程序这一步。 缺省状况下, GCC经过用`.o'替换源文件名后缀`.c', `.i', `.s',等产生目标文件名.可使用-o选项选择其余名字. GCC忽略-c选项后面任何没法识别的输入文件(他们不须要编译或汇编). 如：gcc -c hello.c
-o file	指定输出的文件名 若是没有使用 `-o' 选项,默认的输出结果是:可执行文件为`a.out'。如gcc -c hello.c -o hello.o
-x language	明确指出后面输入文件的语言为language (而不是从文件名后缀获得的默认选择).这个选项应用于后面 全部的输入文件,直到遇着下一个`-x'选项. language的可选值有`c', `objective-c', `c-header', `c++', `cpp-output', `assembler',和`assembler-with-cpp'.
-x none	关闭任何对语种的明确说明,所以依据文件名后缀处理后面的文件(就象是从未使用过`-x'选项). 若是只操做四个阶段(预处理,编译,汇编,链接)中的一部分,可使用`-x'选项(或文件名后缀)告诉 gcc从哪里开始,用`-c', `-S',或`-E'选项告诉gcc到 哪里结束.注意,某些选项组合(例如, `-x cpp-output -E')使gcc不做任何事情.
-S	指示编译程序生成汇编语言代码，而后中止。 缺省状况下, GCC经过用 `.o' 替换源文件名后缀 `.c'、`.i' 等等，产生 目标文件名。可使用-o选项选择其余名字。 汇编语言的形式依赖于编译程序的目标平台。若是编译多个源文件，会为每一个源文件都生成一个汇编语言模块。 GCC忽略任何不须要编译的输入文件。 gcc -S helloworld.c
-E	预处理后即中止,不进行编译。预处理后的代码送往标准输出 GCC忽略任何不须要预处理的输入文件. gcc -E helloworld.c gcc -E helloworld.c -o helloworld.i
-C	告诉预处理器不要丢弃注释，配合 `-E' 选项使用。
-P	告诉预处理器不要产生 `#line' 命令，配合 `-E' 选项使用
-v	(在标准错误)显示执行编译阶段的命令.同时显示编译器驱动程序,预处理器,编译器的版本号.
-pipe	在编译过程的不一样阶段间使用管道而非临时文件进行通讯.这个选项在某些系统上没法工做,由于那些系统的 汇编器不能从管道读取数据. GNU的汇编器没有这个问题.
-ldl	表示生成的对象模块须要用到共享库：$ gcc say.c -ldl -o say 主要是用到了 dlopen 等函数须要用到此选项
-I	指定头文件路径
-e name	指定 name 为程序的入口地址
-ffreestanding	编译独立的程序，不会自动连接 C 运行库、启动文件等；他隐含声明了 `-fno-builtin' 选项，并且对main函数没有特别要求。
-finline-functions -fno-inline-funcitons	启用内联函数 关闭内联函数
-g	以操做系统的本地格式(stabs，COFF，XCOFF 或 DWARF)产生调试信息，GDB可以使用这些调试信息。
-ggdb	以本地格式（若是支持）输出调试信息，尽量包括GDB扩展。
-L <directory>	指定连接时查找路径，多个路径之间用冒号隔开
-nostartfiles	不连接系统标准启动文件，好比crtbegin.o、crtend.o，而标准库文件仍然正常使用。
-nostdlib	不连接系统标准启动文件和标准库文件，只把指定的文件传递给链接器。
-static	在支持动态链接(dynamic linking)的系统上阻止链接共享库。即只能使用静态连接。
-shared	生成一个共享目标文件，他能够和其余目标文件连接产生可执行文件。
-O -O1	优化。对于大函数，优化编译占用稍微多的时间和至关大的内存。 不使用 `-O' 选项时，编译器的目标是减小编译的开销，使编译结果可以调试。 语句是独立的：若是在两条语句之间用断点停止程序，能够对任何变量从新赋值，或者在函数体内把程序计数器指到其余语句，以及从源程序中精确地获取你期待的结果。 不使用 `-O' 选项时，只有声明了register的变量才分配使用寄存器。编译结果比不用 `-O' 选项的GCC要略逊一筹. 使用了 `-O' 选项，编译器会试图减小目标码的大小和执行时间。 若是指定了`-O'选项,，`-fthread-jumps' 和 `-fdefer-pop' 选项将被打开。
-O2	多优化一些。 除了涉及空间和速度交换的优化选项，执行几乎全部的优化工做。例如不进行循环展开(loop unrolling)和函数内嵌(inlining)。 和 -O 选项比较，这个选项既增长了编译时间，也提升了生成代码的运行效果。
-O3	优化的更多。除了打开 -O2所作的一切，它还打开了-finline-functions选项。
-O0	不优化。若是指定了多个 -O选项，无论带不带数字，最后一个选项才是生效的选项。
-Wall	对源代码中的多数编译警告进行启用
-fpic	若是支持这种目标机，编译器就生成位置无关目标码。适用于共享库(shared library)。
-fPIC	若是支持这种目标机，编译器就输出位置无关目标码。适用于动态链接(dynamic linking)，即便分支须要大范围转移。
-fPIE	使用地址无关代码模式编译可执行文件
-Xlinker option	把选项option传递给链接器，能够用他传递系统特定的链接选项， GNU CC没法识别这些选项。 若是须要传递携带参数的选项，必须使用两次 `-Xlinker'，一次传递选项，另外一次传递他的参数。 例如，若是传递 `-assert definitions'，必须写成 `-Xlinker -assert -Xlinker definitions'，而不能写成 `-Xlinker "-assert definitions"'，由于这样会把整个字符串当作一个参数传递，显然这不是链接器期待的。
-Wl option	把选项option传递给链接器。若是option中含有逗号，就在逗号处分割成多个选项。
-fomit-frame-pointer	禁止使用 EBP 做为函数帧指针
-fno-builtin	禁止 GCC 编译器内置函数
-ffunction-sections	将每一个函数编译到独立的代码段
-fdata-sections	将全局/静态变量编译到独立的数据段