程序编译大体上可以分为编译和链接两个步骤：把源文件处理成中间目标文件.o(linux)、obj(windows)的动作称为编译；把编译形成的中间目标文件以及它们所需要的库函数.a(linux) 、lib(windows)链接在一起的动作称为链接。现用一个简单的test工程来分析程序的编译流程，麻雀虽小五脏俱全，它由启动程序start.S、应用程序main.c、链接脚本test.lds和Makefile四个文件构成。test工程中的程序通过操作单板上的LED灯的状态来判定程序的运行结果，它除了用于理论研究之外，没有其它的实用价值。

在编译阶段，编译器会检查程序的语法、函数与变量的声明情况等。如果检查到程序的语法有错误，编译器立即停止编译，并给出错误提示。如果程序调用的函数、变量没有声明原型，编译器只会抛出一个警告，继续编译生成中间目标文件，待到链接阶段进一步确定调用的变量、函数是否存在。

 

 

 

 

start.S文件的内容如程序清单1. 1，文件中的_start函数为C语言运行环境做最低限度的初始化：将S3C6410处理外设端口的地址范围告知ARM内核，关闭看门狗，清除bss段，初始化栈。初始化工作完毕后，跳转到main()。start.S是用汇编语言编写的代码文件，文件中定义了一个WATCHDOG宏，用于寄存器的赋值。在汇编文件中出现#define宏定义语句，对于初学者可能会有些迷惑。

事实上，汇编文件有“.S”和“.s”两种后缀，在以“.s”为后缀的汇编文件中，程序完全是由纯粹的汇编代码编写。所谓的纯粹是相对以“.S”为后缀的汇编文件而言的，由于现代汇编工具引入了预处理的概念，允许在汇编代码(.S)中使用预处理命令。预处理命令以符号“#”开头，包括宏定义、文件包含和条件编译。在U-Boot和Linux内核源码中，这种编程方式运用非常广泛

main.c文件内容如程序清单1. 2所示，main.c中的main函数是运行完_start函数的跳转点。main()中首先定义了一个静态局部变量初值为12，然后配置S3C6410处理器的GPM端口为输出、下拉模式，并将GPM低四位管脚的设为高电平（单板上LED在管脚为高电平的熄灭）。最后判断是flag是否等于12，如果等于点亮LED，否则不点亮。从程序上看，这个判断语句好像多此一举、莫名其妙，因为flag期间并没有作任何改变。其实，这个变量是为讲解程序的运行地址和加载地址的概念而定义的，它与程序运行的位置有关。

将上面两个源码文件处理成中间目标文件，分别输入如下命令行：

得到main.o  Start.o两个中间目标文件，供链接器使用。

 

链接是汇编阶段生成的中间目标文件，相互查找自己所需要的函数与变量，重定向数据，完成符号解析的过程。包括对所有目标文件进行重定位、建立符号引用规则，同时为变量、函数等分配运行地地址。函数与变量可能来源与其它中间文件或者库文件，如果没有找到所需的实现，链接器立即停止链接，给处错误提示。

利用一个链接脚本（.lds后缀）来指导链接链接器工作。控制输出节在映像文件中的布局。fortest.lds是一个简单的链接脚本，指示了程序的运行地址（又称链接地址）为0x5000_0000以及text段、data段和bss段在映像文件中的空间排布顺序。fortest.lds文件的内容如下：

 

 

1)        text段代码段(text segment)，通常是用来存放程序执行代码的内存区域。这块区域的大小在程序编译时就已经确定，并且内存区域通常属于只读，某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量。

2)        data段数据段(data segment)，数据段是存放已经初始化不为0的静态变量的内存区域，静态变量包括全局变量和静态局部变量，它们与程序有着相同的生存期。

3)        bss段bss segment，bbs段与data段类似，也是存放的静态变量的内存区域。与data段不同的是，bbs段存放是没有初始化或者初始化为0的静态变量，并且bbs段不在生成的可执行二进制文件内。bss_start表示这块内存区域的起始地址，bss_end表示结束地址，它们由编译系统计算得到。未初始化的静态变量默认为0，因此程序开始执行的时候，在bss_start到bss_end内存中存储的数据都必须是0。

4)        其他段，上面三个段是编译系统预定义的段名，用户还能通过.section伪操作自定义段，在后面的移植过程我们会发现，Linux内核源码中为了合理地排布数据实现特定的功能，定义了各种各样的段。

在宿主机上输入以下命令行，完成中间的目标文件的链接和可执行二进制文件的格式转换。

如图1. 4所示是使用arm-linux-objcopy格式转换工具得到的二进制文件test.bin的内容，这些内容是处理器能够识别的机器码，我们往往难以直接阅读、理解它们的含义。使用arm-linux-objdump工具生成便以我们阅读的反汇编文件test.dis。对比二进制文件test.bin的内容，耐心细致地分析反汇编文件，如程序清单1. 3所示，可以提炼出大量的信息。

 

 

 

 

 

 

从test.dis反汇编文件中可知，test.bin包含了代码段和数据段，并没有包含bss段。我们知道，bbs内存区域的数据初始值全部为零，区域的起始位置和结束位置在程序编译的时候预知。很容易想到在程序开始运行时，执行一小段代码将这个区域的数据全部清零即可，没必要在test.bin包含全为0的bss段。编译器的这种机制有效地减小了镜像文件的大小、节约了磁盘容量。

main()函数的核心功能是验证flag变量是否等于12，现在追踪下这个操作的实现过程。要想读取flag的值，必须知道它的存储位置，首先执行指令“ldrr3, [pc, #56]”得到flag变量的地址(指针)。pc与56相加合成一个地址，它是相对pc偏移56产生的。pc+56地址处存放了flag变量的指针0x5000_00dc，读取出来存放到r3寄存器。然后执行指令“ldrr3, [r3]”将内存0x5000_00dc地址处的值读出，这个值就是flag，并覆盖r3寄存器。最后，判断r3寄存器是否等于12。flag变量的地址在链接阶段已经被分配好了，固定在0x5000_00dc处，但是从代码中，我们没有找到对flag变量赋初值的语句，尽管在main函数已经用C语句“flag = 12”对它赋初值。

现提供一个验证程序效果的简单方法：将S3C6410处理器设置为SD卡启动方式，使用SD_Writer软件将test.bin烧写至SD卡中，然后将SD卡插入单板的卡槽，复位启动即可。实际上，启动的时候test.bin被加载到内部SRAM中，SRAM映射到0地址处。这个简单方法可以用来验证一些裸板程序，方法实现的原理和SD_Writer软件用法现在不展开讨论，目前只要会使用即可。复位后，LED并没有点亮。

如果每次编译都要重复输入编译命令，操作起来很麻烦，为此test工程中建立了一个Makefile文件，内容如下：

 

 

当将链接脚本中的运行地址修改为0时，进入test目录，输入“make clean”命令清除旧的文件，再输入“make”重新编译程序，验证新生成的test.bin文件的效果，发现LED全部点亮，产生这个现象的原因在下一个小节讲述。

当程序执行时，必须把代码搬运到链接时所指定的运行地址空间，以保证程序在执行过程中对变量、函数等符号的正确引用。在带有操作系统中，这个过程由操作系统负责完成。而在裸机环境下，镜像文件的运行地址由程序员根据具体平台指定，加载地址又与处理器的设计密切相关。通常情况下，启动代码最先执行一段位置无关码，这段代码实现程序从加载地址到运行地址的重定位，或者将程序从外部存储介质直接拷贝至其运行地址。

位置无关码必须具有位置无关的跳转、位置无关的常量访问等特点，不能访问静态变量，都是相对pc的偏移量来函数的跳转或者常量的访问。在ARM 体系中，使用相对跳转指令b/bl实现程序跳转。指令中所跳转的目标地址用基于当前PC的偏移量来表示，与链接时分配给地址标号的绝对地址值无关，因而代码可以在任何位置正确的跳转，实现位置无关性。

使用ldr伪指令将一个常量读取到非pc的其他通用寄存器中，可实现位置无关的常量访问。例如：

如果使用ldr伪指令将一个函数标号读取到pc，这是一条与位置有关的跳转指令，执行的结果是跳转到函数的运行地址处。

试想一下，当系统上电复位的时候，如果test.bin刚好位于在0x5000_0000地址(flag的初值12位于0x5000_00dc)，PC指向0x5000_0000地址，那么这段代码按照上述flag变量的读取步骤，能够准确无误的得到结果。但是，如果test.bin位于0地址(flag的初值12位于0xdc，LED不亮时的情况)，PC指向0地址，程序依然从0x5000_00dc地址读取flag变量，实际上它的初值位于0xdc。这时从C语言的角度看，出现一个flag不等于它的初值的现象（期间没有改变flag）。出现错误的原因是在程序中使用了位置相关的变量，但运行地址与加载地址不一致(加载地址为0，运行地址为0x5000_0000)。由此，能够容易理解运行地址和加载地址的含义：

加载地址是系统上电启动时，程序被加载到可直接执行的存储器的地址，也就是程序在RAM或者Flash ROM中的地址。因为有些存储介质只能用来存储数据不能执行程序，例如SD卡和NAND Flash等，必须把程序从这些存储介质加载到可以执行的地址处。运行地址就是程序在链接时候确定的地址，比如fortest.lds链接脚本指定了程序的运行地址为0x5000_0000，那么链接器在为变量、函数等分配地址的时候就会以0x5000_0000作为参考。当加载地址和运行地址不相等时，必须使用与位置无关码把程序代码从它的加载地址搬运至运行地址，然后使用“ldr pc, =label”指令跳转到运行地址处执行。

 

在嵌入式系统底层编程中，C语言和汇编两种编程语言的使用最广泛。C语言开发的程序具有可读性高，容易修改、移植和开发周期短等特点。但是，C语言在一些场合很难或无法实现特定的功能：底层程序需要直接与CPU内核打交道，一些特殊的指令在C语言中并没有对应的成分，例如关闭看门狗、中断的使能等；被系统频繁调用的代码段，对代码的执行效率要求严格的时候。事实上，CPU体系结构并不一致，没有对内部寄存器操作的通用指令。汇编语言与CPU的类型密切相关，提供的助记符指令能够方便直接地访问硬件，但要求开发人员对CPU的体系结构十分熟悉。在早期的微处理器中，由于处理器速度、存储空间等硬件条件的限制，开发人员不得不选用汇编语言开发程序。随着微处理器的发展，这些问题已经得到很好的解决。如果依然完全使用汇编语言编写程序，工作量会非常大，系统很难维护升级。大多数情况下，充分结合两种语言的特点，彼此相互调用，以约定规则传递参数，共享数据。

C程序函数与汇编函数相互调用时必须严格遵循ATPCS（ARMThumb Procedure Call Standard）。函数间约定R0、R1和R2为传入参数，函数的返回值放在R0中。GNU ARM编译环境中，在汇编程序中要使用.global伪操作声明改汇编程序为全局的函数，可被外部函数调用。在C程序中要被汇编程序调用的C函数，同样需要用关键字extern声明。

 

 

程序清单1. 4是从arch\arm\cpu\arm1176\start.S文件（U-Boot）中截取的代码片段，relocate_code函数用于重定位代码。它在C程序中，通过relocate_code(addr_sp, id, addr)被调用。变量addr_sp、id和addr分别通过寄存器R0、R1和R3传递给汇编程序，实现了C函数和汇编函数数据的共享。

 

当需要在C语言程序中内嵌汇编代码时，可以使用gcc提供的asm语句功能。

 

程序清单1. 5是从Linux源码文件arch/arm/include/asm/atomic.h截取的一段代码，本节内容不分析函数的具体实现。对于初学者，这段代码看起来晦涩难懂，因为这不是标准C所定义的形式，而是gcc对C语言扩充的asm功能语句，用以在C语言程序中嵌入汇编代码。asm语句最常用的格式为：

它由四个部分组成：指令部分，输出部分，输入部分，损坏描述部分。各部分使用“:”格开，指令部分必不可少，其他三部分可选，但是如果使用了后面的部分，而前面部分为空，也需要用“:”分隔，相应部分内容为空。__asm__表示汇编语句的起始，__volatile__是一个可选项，加上它可以防止编译器优化时对汇编语句删除、移动。

指令部分，指令之间使用“\n”（也可以使用“;”或者“\n\t”）分隔。嵌入汇编指令的格式与标准汇编指令的格式大体相同，嵌入汇编指令的操作数使用占位符“%”预留位置，用以引用C语言程序中的变量。操作数占位符的数量取决于CPU中通用寄存器的总数量，占位符的格式为%0，%1，……，%n。

输出、输入部分，这两部分用于描述操作数，不同的操作数描述语句之间用逗号分隔，每个操作数描述符由限定字符串和C语言表达式组成，当限定字符串中带有“=”时表示该操作数为输出操作数。限定字符串用于指示编译器如何处理C语言表达式与指令操作数之间的关系，限定字符串中的限定字母有很多种，有些是通用的，有些跟特定的体系相关。在程序清单1. 5中：result、tmp和v->counter是输出操作数，分别赋给%0、%1和%2；v->counter和i是输入操作数，分别赋给%3和%4。其中，“r”：表示把变量放入通用寄存器中；“I”：表示0-31之间的常数。