Linux内核入门:GCC编译工具

1. 前言

Linux内核主要的编写语言是C语言和汇编语言.因此,在学习Linux内核前的必要条件是熟悉C语言,因为Linux是全球顶尖的程序员编写的,里边可能涉及许多的C语言的编写技巧.

Linux内核使用的是GCC编译器来编译,了解和熟悉GCC编译器和GDB调试器也是很有必要的.

2. GCC

GCC是GNU Linux操作系统的默认编译器,而且GCC还支持多种不同硬件平台,如x86, ARM 等体系结构.

GCC的编译流程主要分为4个步骤:

• 预处理

用C语言编写 test 程序的源代码 test.c .首先进入GCC的预处理器 cpp 进行预处理,把头文件,宏进行展开,生成 test.i 文件.

• 编译

进入GCC编译器后,由于GCC支持多种编程语言,在这里调用C语言的编译器 ccl .编译完成后生成汇编程序,输出 test.s 文件

• 汇编

在汇编阶段,GCC调用汇编器 as 进行汇编,生成可重定位的目标程序 test.o .

• 链接

GCC调用连接器 ld 把所有的目标文件和C语言的标准库链接成可执行的二进制文件 test .

由此可见, C语言代码需要经过两次编译和一次链接后才能生成可执行的程序.

3. ARM GCC

GCC具有良好的可扩展性,除了可以编译x86体系结构的二进制程序外,还支持很多其他的体系结构的处理器, 如ARM, MIPS, RISC-V 等.

这里涉及到两个概念,本地编译和交叉编译.

• 本地编译: 在当前目标平台编译出来的程序，并且可以运行在当前平台上。
• 交叉编译: 在一种平台上编译，然后放到另一种平台上运行，这个过程称为交叉编译。之所以有交叉编译，主要是因为嵌入式系统的资源有限，不适合在嵌入式系统中进行编译，如早期ARM处理器性能低下，要编译一个完整的 Linux系统是不现实的。因此，首先会在某个高性能的计算机上编译出能在ARM处理器运行的Linux二进制文件，然后烧录到ARM系统中运行。
• 交叉工具链: 交叉工具链不只是GCC，还包含binutils、glibc等工具组成的综合开发环境，可以实现编译、链接等功能。在嵌入式环境中，通常使用uclibc等小型的C语言库。

        交叉工具链的命名规则一般如下:
        [ arch ] [ - os ] [ - (gnu) eabi ]

• arch：表示体系结构，如ARM、MIPS等。
• os:表示目标操作系统。
• eabi：嵌入式应用二进制接口。

如:

• arm-linux-gnueabi：主要用于基于ARM32架构的Linux系统，可以用来编译ARM32架构的u-boot、Linux内核以及Linux应用程序等。
• aarch-linux-gnueabi：主要用于基于ARM64架构的Linux系统。
• arm-linux-gnueabihf：hf指的是支持硬件浮点(Hard Float)的ARM处理器。在之前的一些ARM处理器中不支持硬件浮点单元，所以由软件浮点来实现。但是最新的一些高端ARM处理器内置了硬件浮点单元，这样新旧两种架构的差异就产生了两个不同的EABI接口.
• arm-linux-gcc: 与arm-linux-gnueabi相比，它支持更为有限的指令集，并且通常被用于编译适用于较老的ARM32架构的代码。arm-linux-gcc只能生成与ARM指令集兼容的机器代码，无法生成与其他指令集（如x86）兼容的机器代码。它适用于编译代码，生成可在ARM32架构的Linux系统上运行的可执行文件。然而，在使用最新版本的ARM64架构时，通常建议使用aarch-linux-gnueabi工具链来代替arm-linux-gcc，以确保获得对该架构的更好支持。

4. GCC编译

GCC编译一般格式:

gcc  [选项]   源文件   [选项]   目标文件

常用选项表:

选项	功能描述
-o	生成目标文件,可以是 .i , .s , .o 文件
-E	只运行C预处理器
-c	通知GCC取消链接,即只编译生成目标文件,并不做最后的链接
-Wall	生成所有警告信息
-w	不生成任何警告信息
-I	指定头文件目录路径
-L	指定库文件的目录路径
-static	链接成静态库
-g	包含调试信息
-v	打印编译过程中的命令行和编译器版本等信息
-Werror	把所有警告信息转换成错误信息,并在警告发生时终止编译
-O0	关闭所有优化选项
-O或者-O1	最基本的优化等级
-O2	-O1的进阶等级,推荐使用的优化等级,编译器会尝试提高代码性能,而不会增加体积和大量占用编译时间
-O3	最高优化等级,会延长编译时间