RISC-V MCU編譯過程分析

1、前言

使用MounRiver Studio(MRS)這款集成開發環境(IDE)對RISC-V MCU進行嵌入式開發時，工程師不用關注RISC-V MCU 繁雜的底層編譯過程，只需用C語言編寫相應的工程代碼，點擊build編譯按鈕，即可生成hex或bin目標文件，下載后即可運行。

本文將分析點擊bulid按鍵后，.c文件是如何一步一步變為可執行的.hex或.bin文件。

2、編譯過程

而將.C文件轉變為最終的.hex或.bin目標文件，需要經過預處理、編譯、匯編、鏈接這四個步驟。

建議關閉多線程編譯，讓整個編譯過程按順序執行。（切記及時打開，以提升編譯速度）

可以通過取消MRS的簡潔輸出模式，Project -> Concise Build Output Mode，觀察整個編譯過程。

MRS默認是不保存編譯過程中的.i和.s等臨時文件，為了更好的分析編譯的過程，可配置保存這些文件，操作如下：

2.1 預處理（Pre-Processing）

主要包括宏定義（#define），文件包含（#include），條件編譯(#ifdef)三部分。

預處理期間將檢查包含預處理指令的語句和宏定義，並對其進行響應和替換，並刪除程序中的注釋和多余空白字符，最后會生成 .i 文件。

2.2 編譯（Compiling）

編譯器會將預處理完的 .i 文件進行一些列的語法分析，並優化后生成對應的匯編代碼，生成 .s 文件。

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

當然，各廠家會根據自家的內核設計，修改對應的工具鏈以支持其特色功能，如沁恆微電子的RISC-V MCU所特有的HPE硬件壓棧和VTF免表中斷技術，需要在中斷服務函數增加指令 __attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")))，然后在編譯時會識別並省略軟件壓棧的過程。

2.3 匯編（Assembling）

通過匯編器將編譯器生成的 .s 匯編程序匯編為機器語言或指令，也就是可以機器可以執行的二進制程序，生成 .o 文件。

2.4 鏈接（Linking）

根據“*.ld”鏈接文件將多個目標文件(.o)和庫文件(.a)輸入文件鏈接成一個可執行輸出文件(.elf)。涉及到對空間和地址的分配以及符號解析與重定位。

3、elf、hex、bin文件說明

使用MRS編譯時，最終生成的可執行文件為elf、hex或bin文件，這些文件之間的聯系如下：

3.1 elf文件

ELF(Executable and Linkable Format)，可執行與可鏈接格式。

elf是一種用於二進制文件、可執行文件、目標代碼、共享庫和核心轉儲格式文件。是UNIX系統實驗室（USL）作為應用程序二進制接口（Application Binary Interface，ABI）而開發和發布的，也是Linux的主要可執行文件格式。

ELF文件記錄的信息更多、更復雜。主要包含以下內容：

• ELF頭(ELF header) - 描述文件的主要特性：類型，CPU架構，入口地址，現有部分的大小和偏移等等；
• 程序頭表(Program header table) - 列舉了所有有效的段(segments)和他們的屬性。 程序頭表需要加載器將文件中的節加載到虛擬內存段中；
• 節頭表(Section header table) - 包含對節(sections)的描述。

3.2 hex文件

HEX格式文件由Intel制定的一種十六進制標准文件格式，一種ASCII文本文件。文件的每一行都包含了 一個HEX記錄。這些記錄是由一些代表機器語言代碼和常量的16進制數據組成的。Intel HEX文件常用來傳輸要存儲在ROM 或者 EPROM中的程序和數據。大部分的EPROM編程器和FLASH能使用Intel HEX文件。

格式如下：

行開始	數據長度	地址	數據類型	數據	校驗
：	BB	AAAA	TT	D……D	CC
	1字節	2字節	1字節	n字節	1字節

• ：冒號，代表行開始
• BB代表Bytes，數據長度
• AAAA代碼Address，表示數據這行數據的存儲地址
• TT代表Type，數據類型(標識)
  • 00：數據標識
  • 01：文件結束標識
  • 02：擴展段地址
  • 03：開始段地址
  • 04：線性地址
  • 05：線性開始地址
• D……D代表Data，有效數據
• CC代表CheckSum，校驗和

3.3 bin文件

bin是binary的縮寫，即二進制文件，全是0或1的文件，最底層的可執行的機器碼。只包含程序數據。bin文件的大小直接反應所占flash內存的大小。

3.4 轉換關系

因為bin、hex都是只是記錄數據的，但elf類型不僅記錄數據還有程序描述，所以elf文件通過gcc中的objcopy可轉換成hex或bin文件，hex文件也可轉換成bin文件，但反之不可。

3.5 總結

bin文件最小最簡單，但是安全性差，功能性差，hex包含頭尾和檢驗，就有很好的安全性，但是文件比bin大，功能沒有elf強大；elf功能多，但是文件最大。

在使用工程編譯結果是，最好有bin或者hex同時具有elf文件，elf用於仿真和調試，但輸出的到工廠的文件可以使用hex和bin。