C语言使用MinGW中的GCC生成平面(flat)二进制文件

原创已于 2022-07-07 08:30:52 修改 · 1.3k 阅读

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#MinGW #C #binary #二进制 #gcc

于 2022-06-30 18:41:49 首次发布

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博主分享了如何在MinGW环境下编译和链接操作系统，解决GCC不支持elf格式及在Windows与Linux之间切换的问题。通过修改Makefile和使用交叉编译器，实现了在Windows下直接生成镜像文件。文章提供了示例代码和Makefile，展示了使用ld脚本和objcopy工具的不同方法，最终成功在MinGW下完成操作系统的编译链接。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

最近抽空在看自制操作系统相关的书籍，比如《自己动手写操作系统》、《Orange’S：一个操作系统的实现》、《一个64位操作系统的设计与实现》、《30天自制操作系统》等等，只有《30天自制操作系统》是可以完全在Windows下编译、链接、生成镜像的（使用的自制的非标准工具），其它几个全部都是在虚拟机中安装Linux系统，在Windows下编写源码，Linux下进行源码的编译链接，然后生成镜像。这就导致需要在Windows与Linux之间来回切换。

笔者尝试改写书中Makefile，用于MinGW环境下完全编译链接，生成镜像文件，遇到过太多坑。最主要的问题是MinGW中的GCC不支持elf文件格式，而是只能生成PE格式，LD也只能链接PE格式。但是我们需要链接成平面（Flat）二进制或者ELF格式，有一个–oformat binary选项，但是使用它会遇到的问题是：

cannot perform PE operations on non PE output file

网上很多资料都是建议构建一个交叉编译的GCC套件。

笔者后面写的《在MinGW中构建GCC交叉编译器》一文有介绍使用MinGW构建GCC交叉编译器。

就在快要放弃的时候，遇到一个玩具操作系统示例，它就是完全在MinGW下编译、链接生成镜像的，这让我顿时来了兴趣，下面以一个实例来说明。

新建一个目录，在其中创建一个main.c，内容如下：

void start()
{
loop:
	goto loop;
}

再创建一个Makefile文件，内容如下：

CC := gcc
RM := rm
CFLAGS	:= -Wall -fno-builtin -nostdlib -ffreestanding -nostdinc -m32 -fno-pic

all: main.bin

main.exe: main.o
	$(CC) $(CFLAGS) -o main.exe main.o

main.bin: main.exe
	objcopy -O binary main.exe main.bin

%.o: %.c
	$(CC) $(CFLAGS) -o $@ -c $<

clean:
	$(RM) *.o *.exe *.bin

在MinGW控制台中执行make命令，可以看到完全正常编译链接，没有任何错误：
在这里插入图片描述
使用命令

ndisasm main.bin > a.txt

反汇编来看一下：
在这里插入图片描述
可以看到生成了相应的代码，jmp short 0x3就是一直在死循环。

还有一种使用ld的脚本命令作为参数来编译链接，建立一个link.ld文件，内容如下：

OUTPUT_FORMAT("pei-i386")
ENTRY(_start)
phys = 0x00020000;
SECTIONS
{
  .text phys : AT(phys) {
    code = .;
    *(.text)
    *(.rodata)
    . = ALIGN(4096);
  }
  .data : AT(phys + (data - code))
  {
    data = .;
    *(.data)
    . = ALIGN(4096);
  }
  .bss : AT(phys + (bss - code))
  {
    bss = .;
    *(.bss)
    . = ALIGN(4096);
  }
  end = .;
}

然后修改Makefile中的生成命令：

$(CC) $(CFLAGS) -o main.exe main.o -T link.ld

注意输出格式是"pei-i386"，而不是ld支持的格式。ld支持的格式为：
在这里插入图片描述
再看一下生成的汇编代码：

可以看到，两种方式生成的自己编写的代码是完全一样的，只是后面自动填充的代码不一样。

由于ld默认的入口函数为start所以C文件中也是定义的start函数，不能直接使用main函数作为入口，否则会导致链接失败：
在这里插入图片描述
这里有一个技巧，就是不直接使用ld命令来链接，而是让gcc来调用，然后使用objcopy来生成我们想要的平面二进制文件或者ELF文件，当然，如果你想要生成32位elf文件，可以将objcopy的参数改为elf32-i386，比如：

objcopy -O elf32-i386 main.exe main.elf

然后可以通过命令objdump -f main.elf查看刚才生成的文件格式：

$ objdump -f main.elf
main.elf:     file format elf32-i386
architecture: i386, flags 0x00000112:
EXEC_P, HAS_SYMS, D_PAGED
start address 0x00020000

原来MinGW环境下要这么玩，终于可以完全在MinGW下编写自己的操作系统了，希望本文对你有所帮助！