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胡志遠（1982-）男，信息產業部電子六所碩士研究生，（華北計算機系統工程研究所，北京 100083）,計算機應用技術專業，在讀。現于北京和利時系統工程公司實習，研究方向為工業控制語言編譯。
摘要：Gcc是公認的功能強大的開源編譯器。本文介紹了一種利用Gcc實現控制器編程語言編譯功能的方案。
關鍵詞：Gcc；編譯
Abstract: It is well-known that Gcc（Gnu C Compiler）is a powerful “Open Source” compiler. In this paper, we introduce the method to compile the control languages using Gcc.
Key words: Gcc；compile
1 引言
用控制編程語言編寫的算法經過編譯后，通常都會下裝到控制器中由控制器軟件調度執行，而不是由操作系統直接調度執行。因此，對編譯生成的二進制格式有特殊要求。本文將介紹一種利用Gcc編譯器輔助生成項目所需的特殊格式二進制目標文件的方案。
2 概述
整體編譯方案如圖1所示。
圖 1 組態整體編譯方案圖
首先，控制語言經過編譯產生邏輯上等價的C代碼，然后，編譯模塊對C文件進行編譯處理生成所需特殊格式目標文件。
編譯模塊會借助Gcc工具鏈對C文件進行編譯連接等處理。實現方案中關鍵部分有：
（1）通過修改匯編指令BL，實現函數間接地址跳轉。
（2）通過使用Gcc的擴展語法__attribute__，輔助鏈接腳本控制鏈接過程，利用Gcc工具鏈中鏈接器ld對.o文件進行鏈接實現變量指定地址分配。
（3）通過使用Gcc工具鏈中objdump工具，取得.o文件中重定位信息。
（4）通過使用Gcc工具鏈中readelf工具，提取.l文件中機器碼信息以及部分重定位信息。
3 關鍵技術介紹
圖 2 編譯模塊處理流程
上圖展示了編譯模塊內部處理方案。下面以圖2中所示處理流程為序，介紹編譯過程中的關鍵技術。
3.1 修改函數調用指令
編譯特殊需求：函數調用方式要求為間接地址調用。
Gcc編譯C代碼生成的匯編文件中函數調用采用的是相對地址偏移跳轉方式。ARM匯編中，BL指令為函數調用指令，為實現函數調用方式改變，我們必須對所有BL指令進行修改。在匯編這個環節進行修改，而不是.o文件，因為.o文件修改可能會破壞相對地址跳轉類指令，例如B指令。
例如：某段C代碼編譯產生的匯編文件中可能出現下面的函數調用語句
bl Fun_No1
這種函數調用形式實際上是相對地址偏移跳轉，不滿足編譯模塊對函數調用方式的特殊需求，為了實現函數間接地址跳轉，對函數調用匯編語句進行修改模擬BL指令動作，修改后的匯編形式如下：
b .$L0
.$L1:
.word 52
.$L0:
ldr r8,.$L1
ldr r8,[r8]
mov lr,pc
mov pc,r8
.word 52為Fun_No1的函數指針地址，該地址需要進行重定位，此處重定位信息提取將在提取機器碼部分介紹。
兩條ldr指令將指針指向地址取出，然后賦給pc實現函數間接地址調用。其中標號.$L0中使用符號$可以保證標號的唯一性，C語言中標示符中不可能出現$符號。
說明： BL（Branch and Link）指令，該指令執行引起地址跳轉到一個目的地址，并且將函數返回地址存儲到LR寄存器中；LR寄存器，即Link Register（R14），該寄存器保存BL指令下一條指令的地址，函數從子例程返回后從該地址開始繼續執行；PC寄存器，即Program Counter，可以在大多數指令中做為一個指令指針，總是指向當前執行指令后的第二條指令。所有的ARM指令均四字節長。并且總是對齊到四字節邊界，所以PC中最低兩位總是0。[1]
3.2 提取重定位信息
編譯特殊需求：搜集目標代碼中的重定位信息。
編譯模塊生成的目標代碼下裝到控制器后需要重定位才能進行IEC運算，由于在鏈接后，Gcc在反編譯目標代碼已經無法提取重定位信息，所以要在鏈接前提取重定位信息。在連接的過程中，目標代碼的長度和執行順序都沒有變化，只是操作變量或指針的地址進行了重新填充，所以在連接前提取的重定位信息對鏈接后的代碼同樣適用。
在鏈接前，通過調用Gcc工具鏈中的反編譯程序objdump，以-r作為命令行參數可得到當前代碼中需要進行重定位的位置信息。即以”objdump -r *.o -o *.r”為參數啟用新進程執行反編譯程序objdump，生成包含重定位信息的.r文件。整理.r文件中所有的重定位信息得到最終目標文件中的一部分重定位數據。另外一部分重定位信息在提取機器碼階段獲得，在后面內容中會介紹。下面舉例說明.r文件中的重定位信息：
執行命令objdump –r Test.o結果如下：
Test.o: file format elf32-bigarm
RELOCATION RECORDS FOR [.text]:
OFFSET TYPE VALUE
00000030 R_ARM_ABS32 AT_VAR
00000064 R_ARM_PC24 .text
... ...
說明：由于AutoThinker對應的控制器程序不支持代碼段重定位，只支持數據段的重定位，所以在提取重定位信息的時候，只需要提取數據段重定位數據。例子中TYPE為R_ARM_ABS32的行記錄了數據段重定位信息，該行中OFFSET項表明Test.o文件中代碼段偏移0x00000030處開始的四字節數據需要進行重定位處理。
3.3 鏈接
編譯模塊特殊需求：實現變量指定地址分配。
簡單的講，鏈接器的工作就是解析未定義的符號引用，將目標文件（這里指.o文件）中的占位符替換為符號的地址。目標文件是包括機器碼和鏈接器可用信息的程序模塊。鏈接器將完成程序中各目標文件的地址空間的組織。
每個鏈接都被一個鏈接腳本所控制，這個腳本是用鏈接命令語言書寫的。
鏈接腳本的一個主要目的是描述輸入文件中的節如何被映射到輸出文件中，并控制輸出文件的內存排布。幾乎所有的鏈接腳本只做這兩件事情。但是，在需要的時候, 鏈接腳本還可以指示鏈接器執行很多其他的操作。[2]
鏈接器一般都有自己默認的鏈接腳本，要控制鏈接器的行為，可以過使用'-T'命令行選項來提供自己的鏈接腳本。
使用'SECTIONS'命令來描述輸出文件的內存布局。下面內容摘自我們編寫的鏈接腳本myld.lds。
SECTIONS
{
. = 0x3008;
.data : { *(.data) }
MySection 0x00203008 : { *(MySection)}
… …
. = 0x0100000;
.text ALIGN(0x00100000) : { *(.text) }
}
說明：腳本中命令指示，data段載入到地址0x3008處，text段載入到地址0x100000處，腳本中MySection為我們自己定義的段，對應于C代碼語句：
AT_VAR_T Var_Test __attribute__((section("MySection")));[3]
AT_VAR_T類型變量Var_Test將載入到地址0x00203008開始處。__attribute__為Gcc語法擴展。一般情況下編譯器將數據存放到data段或bss段中，當我們有特殊需求，需要將某些變量放到特定段中的時候可以使用Gcc__attribute__擴展語法。上面的C語句定義了新的段MySection，配合鏈接腳本myld.lds的定位功能我們就實現了變量的指定地址分配。
執行鏈接操作的命令如下：
ld –T myld.lds Test.o –o Test.l
ld使用myld.lds作為鏈接腳本，將Test.o文件進行鏈接，生成文件Test.l。
3.4 提取機器碼
編譯特殊需求：以函數為單位提取出編譯生成得二進制機器碼。
借助Gcc工具鏈中的readelf工具，我們可以從鏈接后的.l文件中提取每個函數對應的二進制機器碼。
執行命令readelf -S -s Test.l結果如下：
Section Headers:
[Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al
… …
[ 5] .text PROGBITS 00100000 008000 000070 00 AX 0 0 4
… …
Symbol table '.symtab' contains 22 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
… …
18: 00100044 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT 8 .$L1
… …
21: 0010005c 20 FUNC GLOBAL DEFAULT 5 main
Section Headers部分第五行顯示.text段Addr屬性為0x00100000，該值與鏈接腳本中text段載入地址一致；.text段Off屬性為0x008000，該值表明Test.l中偏移0x8000處為text段內容。
Symbol table部分第21行內容表示，main函數載入地址0x10005c，函數長度20。結合Section Header中獲得信息，我們可以知道Test.l文件中偏移0x805c（計算公式：函數載入地址-text段載入地址+text段在.l文件中的偏移。即，0x10005c - 0x100000 + 0x8000）處開始20個字節內容為main函數函數體對應的機器碼。
Symbol Table部分第18行內容表示C代碼中標號$L1對應機器碼的載入地址為0x100044，結合Section Headers中信息，可以知道該標號相對text段的偏移為0x44，該標號指示位置需要進行重定位。此部分重定位信息與objdump提取的重定位信息相結合就得到了我們所需要的全部重定位信息。
4 結束語
在嵌入式應用中，往往對編譯功能有種種的特殊需求。通過運用Gcc工具鏈中的各種編譯工具，我們可以定制程序編譯過程，以滿足特殊的編譯需求。
參考文獻
[1] ARM Limited. ARM Architecture Reference Manual. June 2000.
[2] Free Software Foundation, Inc.ld.info. 2004.
[3] Richard M. Stallman and the GCC Developer Community.Using the GNU Compiler Collection. 2005.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號