RISCV操作系统-CH04-嵌入式开发介绍

第4章 嵌入式开发介绍

目录

• 什么是嵌入式开发
• 交叉编译
  • 交叉编译的定义
  • 编译系统分类
  • GNU交叉编译工具链
• 调试器GDB
  • GDB简介
  • GDB基本调试流程
• 模拟器QEMU
  • QEMU简介
  • QEMU的安装和使用
• 项目构造工具Make
  • Make简介
  • Makefile的构成
  • make的运行

什么是嵌入式开发

嵌入式开发是一种比较综合性的技术，它不单指纯粹的软件开发技术，也不单是一种硬件配置技术；它是在特定的硬件环境下针对某款硬件进行开发，是一种系统级别的与硬件结合比较紧密的软件开发技术。

嵌入式开发通常涉及以下几个组成部分：

• 目标板（Target Board）：运行嵌入式系统的硬件板
• 主机（Host PC）：用于开发程序的计算机
• 连接方式：如串口（Serial）或以太网（Ethernet）
• 网络设备：如路由器（Router）
• 互联网（Internet）：可选组件，用于远程访问和更新

嵌入式系统的开发过程通常需要考虑资源约束、稳定性、实时性等特殊要求，与常规软件开发有很大不同。

交叉编译

交叉编译的定义

交叉编译是指在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码的过程。在嵌入式开发中，交叉编译是必不可少的技术，因为目标硬件通常与开发环境使用不同的指令集架构。

编译系统分类

参与编译和运行的机器根据其角色可以分成以下三类：

• 构建（build）系统：执行编译构建动作的计算机。
• 主机（host）系统：运行build系统生成的可执行程序的计算机系统。
• 目标（target）系统：特别地，当以上生成的可执行程序是GCC时，我们用target来描述用来运行GCC将生成的可执行程序的计算机系统。

根据build/host/target的不同组合我们可以得到如下的编译方式分类：

• 本地（native）编译：build == host == target
• 交叉（cross）编译：build == host != target

GNU交叉编译工具链

GNU交叉编译工具链（Toolchain）是进行交叉编译的工具集合。

• 命名格式：arch-vendor-os1-[os2-]XXX
• 例子：
  • x86_64-linux-gnu-gcc
  • riscv64-unknown-elf-gcc
  • riscv64-unknown-elf-objdump

在典型的交叉编译场景中，开发者通常在x86_64架构的Linux系统上编译RISC-V架构的程序，编译出的程序将在RISC-V硬件上运行。

调试器GDB

GDB简介

GDB (GNU Project Debugger) 是GNU项目调试器，用于查看另一个程序在执行过程中正在执行的操作，或该程序崩溃时正在执行的操作。

• 官方网址：https://www.gnu.org/software/gdb/
• 被调试的程序可能与GDB在同一台计算机上执行，也可能在另一台计算机（远程）上或者在模拟器上执行。
• GDB支持调试多种语言：如Assembly、C、Go、Rust等。

GDB支持两种主要的调试模式：

1. 本地调试：调试器和被调试的程序在同一系统上运行
2. 远程调试：被调试程序在远程系统或模拟器上运行，调试器通过网络连接控制程序

提到了ptrace的概念

GDB基本调试流程

GDB的基本调试流程如下：

1. 重新编译程序并在编译选项中加入 “-g”

    $ gcc -g test.c
   

2. 运行gdb和程序

    $ gdb a.out
   

3. 设置断点

    (gdb) b 6
   

4. 运行程序

    (gdb) r
   

5. 程序暂停在断点处，执行查看

    (gdb) p xxx
   

6. 继续、单步或者恢复程序运行

    (gdb) s/n/c
   

注意：s代表step（单步进入）, n代表next（单步执行）, c代表continue（继续执行）。

模拟器QEMU

QEMU简介

QEMU是一套由Fabrice Bellard编写的以GPL许可证分发源码的计算机系统模拟软件，在GNU/Linux平台上使用广泛。

• 官方网址：https://www.qemu.org/
• 支持多种体系架构：如IA-32 (x86)、AMD 64、MIPS 32/64、RISC-V 32/64等。
• QEMU有两种主要运作模式：
  • User mode：直接运行应用程序。
  • System mode：模拟整个计算机系统，包括中央处理器及其他周边设备。

QEMU的安装和使用

安装方法：

• Ubuntu上使用apt安装：apt install qemu
• 源码编译安装

基本用法：

qemu-system-riscv32 ... -kernel ./test.elf

调试模式启动：

qemu-system-riscv32 ... -kernel ./test.elf -s -S

• -s：”-gdb tcp::1234”的缩写，启动gdbserver并在1234端口号上监听客户端
• -S：在启动时停止CPU（只有到在客户端键入’c’才会开始执行）

项目构造工具Make

Make简介

Make是一种自动化工程管理工具。

• 官方网址：https://www.gnu.org/software/make/
• Makefile是配合make使用的文件，用于描述构建工程过程中所管理的对象以及如何构造工程的过程。
• make如何找到Makefile：
  • 隐式查找：当前目录下按顺序找寻文件名为”GNUmakefile”、”makefile”、”Makefile”的文件
  • 显式查找：使用-f选项指定Makefile文件

Makefile的构成

Makefile由一条或者多条规则（rule）组成。每条规则由三要素构成：

1. target：目标，可以是obj文件也可以是可执行文件
2. prerequisites：生成target所需要的依赖
3. command：为了生成target需要执行的命令，可以有多条

一个简单的Makefile规则如下:

target...:prerequisites...
	command...
	...

注意：command前必须是一个TAB，而不是空格。

示例：

hello: hello.c
	gcc hello.c -o hello

Makefile中的其他元素包括：

• 缺省规则：

    .DEFAULT_GOAL := all
    all :
  

• 伪规则：

    .PHONY : clean
    clean:
        rm -f *.o
  

• 注释：行注释，以”#”开头

make的运行

make执行时会按照目标依赖关系决定构建顺序，从最基本的依赖开始，逐步构建，最终生成终极目标。

以一个完整的C程序编译为例，依赖关系如下：

hello.c → hello.i → hello.s → hello.o → a.out

对应的Makefile规则执行顺序：

1. hello.i : hello.c：预处理（gcc -E hello.c -o hello.i）
2. hello.s : hello.i：编译（gcc -S hello.i -o hello.s）
3. hello.o : hello.s：汇编（gcc -c hello.s -o hello.o）
4. a.out : hello.o：链接（gcc hello.o -o a.out）

make工具会自动识别这些依赖关系，并按照正确的顺序执行相应的构建命令。

当一个大型项目包含多个源文件和依赖关系时，make工具的自动化构建能力将极大提高开发效率。