23、嵌入式C编程：库管理、符号处理与实用工具-优快云博客

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嵌入式C编程：库管理、符号处理与实用工具

1. 库文件的创建与链接

1.1 ranlib的作用

在创建库文件 libsquare.a 时，需要指定其组成部分，例如：

libsquare.a(square_unsigned.o) 
ranlib libsquare.a

前两行告知 make 命令 libsquare.a 由哪些组件构成，第三行 ranlib libsquare.a 则是在安装所有组件后，对归档文件运行 ranlib 程序，为归档文件创建目录表。

早期的链接器存在一些问题，例如当程序需要 b.o 中的函数，但 b.o 又依赖 a.o 中的函数时，链接器按顺序查找归档文件，找到 b.o 后不会再回头查找 a.o ，可能导致链接失败。为解决这个问题，引入了 ranlib ，它为归档文件添加目录表，使组件可以随机加载。

加载组件的新算法如下：
1. 查看未定义符号列表（如程序使用 b_funct ，则该符号未定义）。
2. 打开归档文件。
3. 检查目录表中是否有未定义的符号，若有则加载。
4. 重复上述步骤，直到该库无法满足更多符号需求。

1.2 链接库与程序

使用以下命令将库与程序进行链接：

square: square.o libsquare.a 
    $(CC) $(CFLAGS) -o square square.o -L. -lsquare

-L. 标志告诉链接器在当前目录查找库文件， -lsquare 指定要链接的库为 libsquare.a 。链接器会先在当前目录查找，然后在系统目录查找。

1.3 完整的makefile示例

CFLAGS=-g -Wall -Wextra 

all: square 

square: square.o libsquare.a 
    $(CC) $(CFLAGS) -o square square.o -L. -lsquare 

libsquare.a: libsquare.a(square_int.o) \ 
    libsquare.a(square_float.o) 
    libsquare.a(square_unsigned.o) 
    ranlib libsquare.a 

libsquare.a(square_int.o): square_int.o 
    ar crU libsquare.a square_int.o 

libsquare.a(square_float.o): square_float.o 
    ar crU libsquare.a square_float.o 

libsquare.a(square_unsigned.o): square_unsigned.o 
    ar crU libsquare.a square_unsigned.o 

square_int.o: square_int.h square_int.c 

square_float.o: square_float.h square_float.c 

square_unsigned.o: square_unsigned.h square_unsigned.c 

square.o: square_float.h square.h square_int.h 
    square_unsigned.h square.c

由于测试程序未调用 square_unsigned ， square_unsigned.o 模块不会被链接到程序中，这展示了链接器不会链接不需要的目标文件。

1.4 确定性与非确定性库

理想情况下，运行 make 命令生成的二进制文件应始终相同。最初，库文件不存储组件的创建者和创建时间信息，但这给 make 程序带来了困难，因为它无法判断归档文件中的版本与新编译版本的新旧。

ar 命令经过修改，可以存储这些信息，但为了不破坏旧功能，存储信息变为可选。指定 D 选项时，不存储修改时间，生成确定性归档文件；指定 U 选项时，每次生成不同的二进制文件，但更受 make 程序青睐，默认使用 D （旧格式）。

2. 弱符号的使用

2.1 弱符号的概念

在C语言中，GCC和大多数编译器支持弱符号。弱符号告诉链接器：“如果没有其他人定义这个符号，就使用我”。

2.2 STM中断表中的应用

在STM中断表中，必须为每个可能的中断定义函数，但有些中断可能永远不会发生。STM固件为所有中断定义了中断处理程序，若这些处理程序被调用，系统会停止，方便使用调试器排查问题。

例如，USART2中断的处理程序定义如下：

void USART2_IRQHandler(void) { 
    while(true) 
        continue; 
}

如果我们自己定义了该处理程序，固件库中的版本将被忽略。

2.3 代码示例

以下是使用弱符号的代码示例：

main.c

#include "sub.h" 

int main() 
{ 
    sub1(); 
    sub2(); 
    return (0); 
}

sub.c

#include "sub.h" 

void sub2(void) __attribute__((weak)); 

void sub1(void) {} 
void sub2(void) {}

sub.h

#ifndef __SUB_H__ 
#define __SUB_H__ 
extern void sub1(void); 
extern void sub2(void); 
#endif // __SUB_H__

sub2.c

#include <stdio.h> 
#include "sub.h" 

void sub2(void) { 
    printf("The non-weak sub2\n"); 
}

如果链接 main.c 和 sub.c ，将链接弱定义的 sub2 ；如果链接 main.c 、 sub.c 和 sub2.c ，则使用 sub2.c 中定义的非弱版本的 sub2 。

弱符号在中断例程等场景中非常有用，允许提供备用或默认版本。

3. 编程问题

3.1 几何形状面积计算库

编写一个库来计算几何形状的面积（如矩形面积、三角形面积等），每个函数应放在单独的目标文件中，并将所有面积函数组合到一个库中。同时编写一个主程序对这些函数进行单元测试。

3.2 串口输出程序重构

重写之前章节创建的串口输出程序，将所有与UART相关的代码放在一个单独的模块中。

3.3 弱符号测试

测试以下三种情况：
1. 定义两个弱符号和一个强符号。
2. 定义两个弱符号，无强符号。
3. 定义两个强符号。

4. 专业编程的建议

4.1 学习写作

专业程序员最重要的技能之一是良好的写作能力，编程过程中需要撰写多种文档，如提案、需求文档、设计文档、用户文档和销售资料等。可以参加创意写作课程，接受他人的反馈。

4.2 学习阅读

通过“阅读”技术文档可以学到很多知识，但这里的“阅读”并非指通读全文，而是扫描文档以找到所需信息。例如，在准备过程中可能会用到ISO/IEC9899:2017、RM0360参考手册等大量文档，但通常只使用其中的一小部分。可以熟练使用 find 命令定位感兴趣的文档部分。

4.3 协作与借鉴

与他人合作并相互审查工作，可以扩展自己和他人的知识。例如Linux内核的开发，数千人共享代码、接受反馈、改进代码，最终形成了强大的操作系统。查看公开可用的代码，了解其他程序员的做法也很有帮助，如STM32 Workbench附带的HAL固件。

5. 实用开源工具

5.1 Cppcheck

Cppcheck 是一个静态程序检查器，用于查找编译器未发现的程序问题。它能找出一些有趣的代码问题，例如：

if (flag) { 
    //(removed) processMessage() 
} else { 
    //(removed) processMessage() 
}

Cppcheck 产生的误报较少，如果它标记了代码中的某一行，建议仔细检查。

5.2 Doxygen

Doxygen 通过程序中的结构化注释为程序创建文档，但实际使用中存在一些问题，例如需要在代码中添加注释，且生成的文档看起来像是自动生成的。 Cppcheck 使用 Doxygen 进行内部文档编写。

5.3 Valgrind

Valgrind 是一套用于动态检查程序错误的工具，其中最常用的 memcheck 工具可以查找内存错误，如数组越界、释放后使用指针等，能有效检测大多数简单的运行时错误。

5.4 SQLite

SQLite 是一个适用于小型数据库（最多100,000条记录）的嵌入式数据库库，虽然不是最快的数据库，但对于不希望有大型数据库开销的小型嵌入式系统来说很适用。使用它需要学习SQL语言。

6. 项目创建清单

6.1 原生C项目

如果要创建在PC上运行的程序，可按以下步骤操作：
1. 启动STM32 Workbench，必要时选择工作空间。
2. 在主窗口中，选择 File ▶New ▶C/C++ Project 。
3. 在 C/C++ Project 窗口中，选择 C Managed Build 并点击 Next 。
4. 在 C Project 窗口中：
- 填写项目名称（无空格和特殊字符）。
- 在 Project Type 列中，选择 Executable ▶Empty Project 。
- 在 Toolchains 列中，选择适合本地系统的工具链，如Windows上的Visual C++，Linux上的GNU gcc。
- 点击 Next 。
5. 在 Configurations 窗口中：
- 取消勾选 Release 。
- 保持 Debug 勾选。
- 点击 Finish 。
6. 在主窗口中：
- 在 Project Explorer （左列）中选择项目。
- 选择 File ▶New ▶Source File 。
- 在 Source File 窗口中：
- 在 Source File 字段中输入程序文件名（以 .c 结尾）。
- 点击 Finish 。
7. 在主窗口（文件显示在编辑面板中）：
- 输入程序代码。
- 选择 File ▶Save All 。
- 选择 Project ▶Build Project 。
- 选择 Run ▶Run Configuration 。
8. 在 Create, Manage, and Run Configurations 窗口中：
- 在左列中选择 C/C++ Application 。
- 点击 New 。
- 在 C/C++ Application 下点击 Browse 。
- 在文件对话框中：
- 进入工作空间并打开项目文件夹。
- 在项目文件夹中打开 Debug 目录。
- 选择程序的可执行文件。
- 点击 OK 。
9. 在 Create, Manage, and Run Configurations 窗口中：
- 点击 Apply 。
- 点击 Close 。

此时可以运行和调试程序。

6.2 STM32 Workbench嵌入式项目

如果要创建在Nucleo板上运行的程序，可按以下步骤操作：
1. 启动STM32 Workbench，必要时选择工作空间。
2. 在主窗口中，选择 File ▶New ▶C Project 。
3. 在 C Project 窗口中：
- 填写项目名称（无空格和特殊字符）。
- 在 Project Type 列中，选择 Executable ▶Empty Project 。
- 在 Toolchains 列中，选择 Ac6 STM32 MCU GCC 。
- 点击 Next 。
4. 在 Configurations 窗口中：
- 取消勾选 Release 。
- 保持 Debug 勾选。
- 点击 Finish 。
5. 在 Target Configuration 窗口中：
- 选择 STM32F0 系列。
- 选择 NUCLEO-F030R8 板。
- 点击 Next 。
6. 在 Project Firmware Configuration 窗口中：
- 点击 Hardware Abstraction Layer (Cube HAL) 。
- 下载目标固件（仅需一次）。
- 点击 Finish 。
7. 在主窗口中：
- 在 Project Explorer （左列）中选择项目。
- 选择 Project ▶Properties 。
8. 在 Properties 窗口中：
- 展开 C++ Build 。
- 进入 Settings 。
- 进入 Tool Settings 选项卡。
- 选择 MCU GCC Compiler ▶Debugging ，将调试级别设置为 Maximum (-g3) 。
- 选择 MCU GCC Compiler ▶Miscellaneous ，设置其他标志为 -fmessage-length=0 0Wa,adhls=$(@:%.o=%.lst) ，开启列表功能。
- 点击 Apply 。
- 点击 OK 。
9. 在主窗口中：
- 在 Project Explorer （左列）中选择项目。
- 展开项目。
- 展开 src 目录。
- 点击 main.c 进行编辑。
- 输入程序代码。
- 选择 File ▶Save All 。
- 选择 Project ▶Build Project 。
- 选择 Project ▶Run 或 Project ▶Debug 。

总之，嵌入式C编程涉及库管理、符号处理、实用工具使用等多个方面，同时不断学习和实践是提升编程能力的关键。技术在不断发展，我们应保持学习的热情，探索更多的可能性。

7. 嵌入式C编程要点总结

7.1 库管理要点

库创建与链接 ：通过 ar 命令将目标文件打包成静态库，如 ar crU libsquare.a square_int.o ，再使用 ranlib 为库创建目录表以解决链接顺序问题。链接时使用 -L 指定库搜索路径， -l 指定库名。
确定性与非确定性 ： ar 命令的 D 和 U 选项可控制库的确定性，默认 D 选项生成确定性归档文件。

7.2 符号处理要点

弱符号应用 ：弱符号允许在没有其他定义时使用自身，在STM中断表等场景中可提供备用或默认实现，避免重复定义错误。

7.3 实用工具总结

工具名称	功能描述
Cppcheck	静态程序检查器，查找编译器未发现的问题，误报少
Doxygen	通过结构化注释生成程序文档
Valgrind	动态检查程序错误， `memcheck` 可检测内存错误
SQLite	适用于小型嵌入式系统的数据库库，需学习SQL语言

7.4 项目创建流程对比

项目类型	创建步骤关键差异
原生C项目	选择适合本地系统的工具链，在PC上运行
STM32 Workbench嵌入式项目	选择 `Ac6 STM32 MCU GCC` 工具链，配置目标板和固件，在Nucleo板上运行

8. 未来学习方向与展望

8.1 持续学习新技术

计算机技术发展迅速，嵌入式领域不断有新的芯片、框架和工具出现。例如，随着物联网的发展，对低功耗、高性能嵌入式设备的需求增加，我们需要学习新的通信协议（如LoRa、ZigBee）和低功耗设计技术。

8.2 深入研究现有技术

对于已经掌握的技术，如库管理、弱符号使用等，可以进一步深入研究其底层原理。例如，了解 ar 和 ranlib 命令的具体实现，以及链接器在处理弱符号和强符号时的详细算法。

8.3 参与开源项目

参与开源项目是提升技术能力和扩展人脉的好方法。可以从简单的贡献开始，如修复代码中的小错误、完善文档等，逐渐参与到项目的核心开发中。例如，参与Linux内核或STM32相关的开源项目。

8.4 实践项目积累经验

通过实践项目将所学知识应用到实际中，不断积累经验。可以从简单的小项目开始，如制作一个简单的传感器数据采集系统，逐渐挑战更复杂的项目，如开发一个完整的嵌入式操作系统。

9. 总结与建议

9.1 总结

嵌入式C编程是一个综合性的领域，涉及库管理、符号处理、实用工具使用和项目创建等多个方面。掌握这些知识和技能，能够帮助我们更高效地开发嵌入式系统。

9.2 建议

多实践 ：通过实际项目来巩固所学知识，不断尝试新的技术和方法。
学习交流 ：加入技术社区，与其他开发者交流经验，分享学习心得。
持续学习 ：关注行业动态，不断学习新的知识和技能，适应技术的快速发展。

以下是一个简单的mermaid流程图，展示嵌入式C编程学习的基本流程：

graph LR
    A[学习基础知识] --> B[实践项目]
    B --> C[参与开源项目]
    C --> D[深入研究技术]
    D --> E[持续学习新技术]
    E --> B

总之，嵌入式C编程是一个充满挑战和机遇的领域，只要我们保持学习的热情，不断实践和探索，就能够在这个领域取得不错的成绩。