从 C语言--＞二进制程序--＞芯片启动运行过程

你觉得很酷吗？

1264人浏览 · 2024-12-25 14:21:48

你觉得很酷吗？ · 2024-12-25 14:21:48 发布

C 语言从源码生成指令序列（二进制执行文件）经过以下过程：预处理 --> 编译 --> 汇编 --> 链接 --> 执行

一、预处理

预处理就是复制粘贴过程，去掉无需编译的代码，包括注释，行尾的 \ 链接处理，条件编译的#ifdef、#ifnde 语句。

二、编译

编译的过程有一下几个阶段：词法分析，语法分析，语义分析，中间代码生成，优化，目标代码分析

词法分析：记录关键、常数、字符串、运算符、大括号……并记录位置。
语法分析：反应程序层次结构（树状结构），报告语法错误（漏分号）。
语义分析：算数类型转换，报告未定义引用，运算符类型操作不匹配。
静态程序分析：不运行程序情况下分析语法错误。
中间代码生成：中间代码（IR 状态机）是面向编译场景的指令集（理解成状态机）。
优化：优化的目的是为了状态少（变量少），激励事件少（语句少），尽可能简化。典型例子就是 volatile 关键字的应用。
目标代码生成：将中间代码（IR 状态机）翻译成有处理器的 ISA 状态机。

三、汇编

根据指令集手册，把编译后的汇编代码（指令的符号化表示）翻译成二进制目标文件（指令的编码表示）、二进制文件（.o 文件）不能用文本编辑器打开。

四、链接

裸机平台：将众多的 .o 文件通过链接脚本，链接到一个指定的内存地址，最后生成 .elf 文件，通过 .elf 文件中描述的数据布局规则生成 .bin 文件，有了我们期望的数据布局之后，程序就会访问正确地址里面的数据。

操作系统平台：将众多的 .o 文件通过链接脚本，链接到一个指定的内存地址，最后生成可执行文件。

链接过程中，程序被划分为多个段（sections），每个段存储不同类型的数据或指令。以下是常见的段：

.text 段存储程序的代码指令，包括函数实现、程序逻辑、跳转指令等内容。它的特点是只读且可执行，程序运行时，CPU 会从 .text 段读取这些指令并执行。函数的实现代码都会存储在 .text 段中。
.data 段用于存储已初始化的全局变量和静态变量，这些变量在程序启动时就已经有明确的初始值。该段是可读写的，程序运行时可以对其中的变量值进行修改。
.bss 段存储未初始化的全局变量和静态变量，或者显式初始化为零的变量。该段不会占用可执行文件的空间，但在程序运行时会为这些变量分配内存，并自动初始化为零。
.rodata 段用于存储只读数据，如常量和字符串字面量，包括由 const 修饰的全局变量或静态变量。该段的内容是只读的，程序运行时无法修改。

以下是一个包含各个段数据的简单示例，包括 .text、.data、.bss 和 .rodata 段。

源代码文件：main.c

#include <stdio.h>

// .data 段：已初始化的全局变量
int global_initialized = 42;

// .bss 段：未初始化的全局变量
int global_uninitialized;

// .rodata 段：只读的全局常量
const char* greeting = "Hello, world!";

// .text 段：函数代码
int main() {
    printf("%s\n", greeting);  // 输出存储在 .rodata 的字符串
    printf("Global initialized: %d\n", global_initialized); // .data 段数据
    printf("Global uninitialized: %d\n", global_uninitialized); // .bss 段数据
    example_function();  // 调用函数，使用栈段
    return 0;
}

链接脚本文件：linker.ld

MEMORY {
    DDR (rwx) : ORIGIN = 0x30000000, LENGTH = 256M  /* DDR 内存区域 */
}

SECTIONS {
    /* .text 段：代码段 */
    .text : {
        *(.text)           /* 代码段 */
    } > DDR = 0x30000000   /* 将 .text 段加载到 DDR 地址 0x30000000 */

    /* .data 段：已初始化的全局变量 */
    .data : {
        *(.data)           /* 已初始化的全局变量 */
    } > DDR = 0x30001000   /* 将 .data 段加载到 DDR 地址 0x30001000 */

    /* .bss 段：未初始化的全局变量 */
    .bss : {
        *(.bss)            /* 未初始化的全局变量 */
    } > DDR = 0x30002000   /* 将 .bss 段加载到 DDR 地址 0x30002000 */

    /* .rodata 段：只读常量数据 */
    .rodata : {
        *(.rodata)         /* 只读数据 */
    } > DDR = 0x30003000   /* 将 .rodata 段加载到 DDR 地址 0x30003000 */
}

链接生成 ELF 文件 main.elf，查看 ELF 文件段信息： readelf -S main.elf

Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Address          Offset
  [ 0] .text             PROGBITS        0x30000000       0x00000000
  [ 1] .data             PROGBITS        0x30001000       0x00001000
  [ 2] .bss              NOBITS          0x30002000       0x00002000
  [ 3] .rodata           PROGBITS        0x30003000       0x00003000
  ...

五、执行

裸机平台：裸机设备中，将 .bin 文件烧录到 Flash/SD 等存储设备的指定地址后运行程序。

操作系统平台：可执行文件可以直接在操作系统（如 Linux）上运行的最终程序。

六、不同类型文件的区别

文件类型	是否可执行	用途	生成阶段
`.o` 文件	否	编译后未链接的目标文件，需要与其他文件链接后生成可执行文件。中间产物，供链接使用。	编译阶段
`.elf` 文件	取决于类型	包含完整程序逻辑的汇编代码，并且带有符号信息和段信息（适合调试和分析）。主要用于调试、烧录、生成 .bin 文件。	链接阶段
`.bin` 文件	是	纯机器码的二进制文件，不包含 .elf 的头部、符号表等元数据。通常需要特定硬件或引导程序加载运行。用于烧录到硬件运行。	从 .elf 文件转换而来，将 .elf 文件转换为 .bin 文件时，通常会去掉 .elf 文件的头部、符号信息等，仅保留需要加载到内存中的数据和代码。主要过程是将 .elf 文件中的 .text（代码段）、.data（数据段）、.bss（未初始化数据段）等节提取出来，并按照它们在内存中的布局打包成一个纯粹的二进制文件
可执行文件	是	已完成链接，包含入口点，操作系统可以直接加载运行。	链接后直接生成或加工自 .elf 文件

七、裸机芯片启动并运行

CPU 启动过程

芯片出厂的时候内部会有一个 Boot ROM，Boot ROM 里面有芯片出厂自带的程序，用于最初阶段的程序引导，具体如下。

上电之前，我们会设置芯片的启动模式，也就是将 BOOT MODE1、BOOT MODE0 等芯片启动相关的引脚进行拉高或者拉低操作。

上电之后，根据我们设置芯片引脚的电平，Boot ROM 的代码会在片上 SRAM 中运行，初始化一些最基本的外设和时钟保证芯片运行，例如，初始化能让 CPU 运行最基本的时钟。CPU 运行之后，这段程序会首先将 .bin 文件的头部信息(IVT、Boot Data、DCD)读取到片上 SRAM 中，并解析头部信息，这段头部信息包含了用户代码存放的指定地址、一些外设寄存器的初始化配置等，例如，DCD 中包含 DDR 寄存器的初始化配置，在初始化完 DDR 之后，会将 .bin 文件的内容从外部存储器(SD 卡)搬运到 DDR 的指定地址中，后续开始执行用户自定义的程序。

CPU 运行过程

取指：以运行内存是 DDR 为例，将 DDR 中存储 .bin 文件中的二进制数字，按照指定长度读取到特殊寄存器——指令加载寄存器。

译码：内部电路读取并解释指令寄存器中的位序列，也就是对取出的二进制数字，按照指定架构的指令集进行译码。

执行：按照译码的结果执行对应的运算操作，我们写的汇编代码，就是控制 CPU 的执行阶段。在 CPU 执行的时候，所有的运算操作都需要一个中间介质——通用寄存器（R0、R1、R2 等），我们需要先将进行运算的数值存入到寄存器中，然后才可以进行运算。

递增程序计数器：执行完程序后，特殊寄存器——地址寄存器会只想 CPU 执行下一个指令的位置，用于下一次取指。