第4章嵌入式Linux程序设计基础.ppt

第4章 嵌入式Linux程序设计基础,本章要点,1、嵌入式Linux编译器GCC 2、“文件包含”处理 3、make命令和Makefile文件 4、使用 autotools系列工具 5、位运算,单击此处编辑母版副标题样式,4.1 嵌入式Linux编译器,Linux下C语言编译过程 GCC编译器,Linux下C语言编译过程,Linux下的C语言程序设计与在其他环境中的C程序设计一样，主要涉及编辑器、编译链接器、调试器及项目管理工具。 （1）编辑器. Linux下的编辑器就如Windows下的记事本、写字板等一样，完成对所录入文字的编辑功能。Linux中最常用的编辑器有vi（vim）和emacs，,（2）编译链接器。 编译是指源代码转化生成可执行代码的过程，它所完成的主要工作如图所示。编译过程是非常复杂的，它包括词法、语法和语义的分析、中间代码的生成和优化、符号表的管理和出错处理等。在Linux中，最常用的编译器是gcc编译器。 （3）调试器 调试器并不是代码执行的必备工具，而是专为方便程序员调试程序而用的。gdb是绝大多数Linux开发人员所使用的调试器，它可以方便地设置断点、单步跟踪等。 （4）项目管理器。 Linux中的项目管理器“make”有些类似于Windows中Visual c+里的“工程”，它是一种控制编译或者重复编译软件的工具，另外，它还能自动管理软件编译的内容、方式和时机，使程序员能够把精力集中在代码的编写上而不是在源代码的组织上。,GCC编译器,Linux系统下的gcc（GNU C Compiler）是GNU推出的功能强大、性能优越的多平台编译器，是GNU的代表作之一。gcc可以在多种硬体平台上编译出可执行程序，其执行效率与一般的编译器相比平均效率要高20%30%。 GCC编译器能将C、C+语言源程序、汇编程序编译、链接成可执行文件。在Linux系统中，可执行文件没有统一的后缀，系统从文件的属性来区分可执行文件和不可执行文件。,GCC编译器,使用GCC编译程序时,编译过程可以被细分为四个阶段: 预处理(Pre-Processing) 编译(Compiling) 汇编(Assembling) 链接(Linking),GCC编译器,gcc通过后缀来区别输入文件的类别： .c为后缀的文件: C语言源代码文件 .a为后缀的文件: 是由目标文件构成的库文件 .C，.cc或.cxx 为后缀的文件: 是C+源代码文件 .h为后缀的文件: 头文件 .i 为后缀的文件: 是已经预处理过的C源代码文件 .ii为后缀的文件: 是已经预处理过的C+源代码文件 .o为后缀的文件: 是编译后的目标文件 .s为后缀的文件: 是汇编语言源代码文件 .S为后缀的文件: 是经过预编译的汇编语言源代码文件。,起步（演示）,hello.c： #include int main(void) printf (Hello world!n); return 0; 编译和运行这段程序: # gcc hello.c -o hello # ./hello 输出：Hello world!,Gcc的基本用法和选项,Gcc最基本的用法 gcc options filenames -c：只编译，不连接成为可执行文件。 -o output_filename：确定输出文件的名称为output_filename，同时这个名称不能和源文件同名。 -g：产生符号调试工具(GNU的gdb)所必要的符号资讯，要想对源代码进行调试，我们就必须加入这个选项。 -O：对程序进行优化编译、链接，采用这个选项，整个源代码会在编译、链接过程中进行优化处理，产生的可执行文件的执行效率较高。 -O2，比-O更好的优化编译、连接，当然整个编译、连接过程会更慢。,编译选项(optimize.c),#include int main(void) double counter; double result; double temp; for (counter = 0; counter 2000.0 * 2000.0 * 2000.0 / 20.0 + 2020; counter += (5 - 1) / 4) temp = counter / 1979; result = counter; printf(Result is %lfn, result); return 0; ,1. gcc optimize.c -o optimize time ./optimize 2. gcc O optimize.c -o optimize time ./optimize 对比两次执行的输出结果不难看出,程序的性能的确得到了很大幅度的改善,-static：静态链接库文件 例：gcc static hello.c -o hello 库有动态与静态两种，动态通常用.so为后缀，静态用.a为后缀。例如：libhello.so libhello.a。当使用静态库时，连接器找出程序所需的函数，然后将它们拷贝到可执行文件，一旦连接成功，静态程序库也就不再需要了。然而，对动态库而言，就不是这样，动态库会在执行程序内留下一个标记指明当程序执行时，首先必须载入这个库。由于动态库节省空间，linux下进行连接的缺省操作是首先连接动态库。 演示：静态链接与动态链接可执行文件大小比较,-Wall：生成所有警告信息 -w：不生成任何警告信息,4.2 “文件包含”处理,1、头文件 在C语言中，需要利用头文件来定义结构、常量以及声明函数的原型。大多数C的头文件都存放在 /usr/include及其子目录下。 引用以上目录中的头文件在编译的时候无需加上路径，但如果程序中引用了其他路径的头文件，需要在编译的时候用 I 参数。,4.2 “文件包含”处理,-Idirname: 将dirname所指出的目录加入到程序头文件目录列表中。 C程序中的头文件包含两种情况 #include #include “B.h” 对于，预处理程序cpp在系统预设的头文件目录(如/usr/include)中搜寻相应的文件；而对于”，cpp在当前目录中搜寻头文件。这个选项的作用是告诉cpp，如果在当前目录中没有找到需要的文件，就到指定的dirname目录中去寻找。 例：gcc foo.c -I /home/include -o foo,-lname：在连接时，装载名字为“libname.a”的函数库，该函数库位于系统预设的目录或者由-L选项确定的目录下。例如，-lm表示连接名为“libm.a”的数学函数库。 例：gcc foo.c -L /home/lib -lfoo -o foo,2、“文件包含”处理 “文件包含”处理，意思是把另外一个源文件的内容包含到本程序中来。其作用是减少编写程序的重复劳动，即把一些要重复使用的东西，编写到一个“头文件”（*.h）中，然后在程序中用 include命令来实现“文件包含”的操作。,例如： n=1+2+3+100 求和运算。 1 #include 2 int main() 3 int x=100,s=0,i=1; 5 while(i=x) 6 s=s+i; 7 i+; 8 9 printf(“ sum= %dn“,s); 10 return 0; 11 ,为了让加法部分能重复使用，将加法部分写成一个函数int sum(int n)。 int mysum(int n) int i=1,ss=0; while(i=n) ss=ss+i; i+; return (ss); ,再在主函数中调用它 1 #include 2 int mysum(int n); 3 int main() 4 5 int x=100; 6 int s=0; 7 s=mysum(x); 8 printf(“ sum= %dn“,s); 9 return 0; 10 ,注意：上述程序中的第2行语句 int mysum(int n); 是必不可少的。由于mysum(int n)函数的定义是从第11行语句开始，而调用mysum(int n)函数的语句在第7行。因此，要在调用之前声明这个函数。 下面进一步将程序中具有独立功能的mysum()函数分割出来。该程序可分割为下列3个程序：mysum.h、mysum.c和ex_sum.c。,（1）程序mysum.h： 1 /* mysum.h */ 2 int mysum(int n); （2）程序mysum.c： 1. /* mysum.c */ 2. int mysum(int n) 3. 4. int i=1,ss=0; 5. while(i=n) 6. ss=ss+i; 7. i+; 8. 9. return (ss); 10. ,主程序ex_sum.c： 1. /* ex_sum.c */ 2. #include 3. #include “mysum.h“ 4. int main() 5. 6. int x=100; 7. int s=0; 8. s=mysum(x); 9. printf(“sum=%dn“,s); 10. return 0; 11. ,在Linux环境下，执行编译程序命令： gcc ex_sum.c mysum.c -o sum 此命令将ex_sum.c和 mysum.c编译成一个在Linux环境下的可执行文件sum。 在Linux环境下运行可执行文件sum， ./sum 结果如下： sum=5050,4.3 Make命令和Makefile工程管理,Linux程序员必须学会使用GNU make来构建和管理自己的软件工程。GNU 的make能够使整个软件工程的编译、链接只需要一个命令就可以完成。 make在执行时, 需要一个命名为Makefile的文件。Makefile文件描述了整个工程的编译，连接等规则。其中包括：工程中的哪些源文件需要编译以及如何编译；需要创建那些库文件以及如何创建这些库文件、如何最后产生我们想要得可执行文件。,Makefile 是 一个配置文件。 Makefile 中通常包含如下内容：用于说明如何生成一个或多个目标文件规则 需要由make 工具创建的目标体， 通常是目标文件或可执行文件； 要创建的目标体所依赖的文件； 创建每个目标体时需要运行的命令。,Makefile的格式为： targets : prerequisites command 目标依赖命令 main.o : main.c gcc c main.c 目标？依赖？命令？ *命令需要以【TAB】键开始*,认识Make,编写一个Makefile文件如下： sum: ex_sum.o mysum.o gcc ex_sum.o mysum.o -o sum ex_sum.o：ex_sum.c gcc -c ex_sum.c mysum.o: mysum.c mysum.h gcc -c mysum.c,注意， “gcc ex_sum.c mysum.c -o sum”前面不是空格，而是按下“tab”键的符号位。 我们将其保存为：makefile，文件名没有后缀。然后，在Linux环境下执行make，其运行结果如下： # make gcc -c ex_sum.c gcc -c mysum.c gcc ex_sum.o mysum.o -o sum 将ex_sum.c和 mysum.c编译成在Linux环境下的可执行文件sum。,在Makefile 中，规则的顺序是很重要的，因为，Makefile中只应该有一个最终目标，其它的目标都是被这个目标所连带出来的，所以一定要让make知道你的最终目标是什么。一般来说，定义在Makefile中的目标可能会有很多，但是第一条规则中的目标将被确立为最终的目标。,伪目标,Makefile中把那些没有任何依赖只有执行动作的目标称为“伪目标”（phony targets）。 .PHONY : clean clean : rm f hello main.o func1.o func2.o “.PHONY” 将“clean”目标声明为伪目标,文件名,make命令默认在当前目录下寻找名字为makefile或者Makefile的工程文件，当名字不为这两者之一时，可以使用如下方法指定： make f 文件名,示例,该程序有mytool1.h、mytool2.h、mytool1.c、mytool2.c 等文件需要编译。编写Makefile文件： main: main.o mytool1.o mytool2.o gcc -o main main.o mytool1.o mytool2.o main.o: main.c gcc -c main.c mytool1.o: mytool1.c mytool1.h gcc -c mytool1.c mytool2.o: mytool2.c mytool2.h gcc -c mytool2.c,再次运行make，这时，make 会自动检查相关文件的时间戳。 首先，在检查“main”、“main.o”、“ mytool1.o”和“mytool2.o”这3 个文件的时间戳之前，它会向下查找那些把“main.o”、“ mytool1.o”或“mytool2.o”作为目标文件的时间戳。如果这些文件中任何一个的时间戳比它们新，则用gcc命令将此文件重新编译。这样，make 就完成了自动检查时间戳的工作，开始执行编译工作。这也就是 Make 工作的基本流程。,Makefile 变量,hello: main.o func1.o func2.o gcc main.o func1.o func2.o -o hello 思考1：如果要为hello目标添加一个依赖，如：func3.o，该如何修改？ 答案1： hello: main.o func1.o func2.o func3.o gcc main.o func1.o func2.o func3.o -o hello 答案2： obj=main.o func1.o func2.o func3.o hello: $(obj) gcc $(obj) -o hello,Makefile 变量,为了进一步简化编辑和维护 Makefile，make 允许在 Makefile 中创建和使用变量。变量是在 Makefile 中定义的名字，用来代替一个文本字符串，该文本字符串称为该变量的值。 在Makefile 中的变量定义有两种方式：一种是递归展开方式，另一种是简单方式。 递归展开方式的定义格式为：VAR=var。 简单扩展方式的定义格式为：VAR：=var。 Make 中的变量无论采用哪种方式定义使用时格式均为：$(VAR)。,例如,OBJS = main.o mytool1.o mytool2.o CC = gcc main: $(OBJS) $(CC) $(OBJS) -o main main.o: main.c $(CC) -c main.c mytool1.o: mytool1.c mytool1.h $(CC) -c mytool1.c mytool2.o: mytool2.c mytool2.h $(CC) -c mytool2.c,在makefile中，存在系统默认的自动化变量 $：代表所有的依赖文件 $：代表目标 $：代表第一个依赖文件 例： hello: main.o func1.o func2.o gcc main.o func1.o func2.o -o hello = hello: main.o func1.o func2.o gcc $ -o $,进一步简化,OBJS = main.o mytool1.o mytool2.o CC = gcc main: $(OBJS) $(CC) $ -o $ main.o: main.c $(CC) -c $ -o $ mytool1.o: mytool1.c mytool1.h $(CC) -c $ -o $ mytool2.o: mytool2.c mytool2.h $(CC) -c $ -o $,Makefile中“#”字符后的内容被视作注释。 hello: hello.c gcc hello.c o hello :取消回显,隐式规则（Implicit Rule）,在我们使用Makefile时，有一些语句经常使用，而且使用频率非常高的东西，隐式规则能够告诉 make使用默认的方式来完成编译任务，这样，当用户使用它们时就不必详细指定编译的具体细节，而只需把目标文件列出即可。Make 会自动按隐式规则来确定如何生成目标文件。 OBJS = main.o mytool1.o mytool2.o CC = gcc main: $(OBJS) $(CC) $ -o $,模式规则（Pattern Rule）,模式规则规定，在目标文件的定义时需要用“%”字符。“%”的意思是表示一个或多个任意字符，与文件名匹配。 例如：“%.c”表示以“.c”结尾的文件名（文件名的长度至少为3），而“s.%.c”则表示以“s.”开头，“.c”结尾的文件名（文件名的长度至少为5个字符）。 OBJS = main.o mytool1.o mytool2.o CC = gcc main: $(OBJS) $(CC) $ -o $ %.o: %.c $(CC) -c $ -o $,如果一个目标在Makefile中的所有规则都没有命令列表，make会尝试在内建的隐含规则（Implicit Rule）数据库中查找适用的规则。make的隐含规则数据库可以用make -p命令打印，打印出来的格式也是Makefile的格式，包括很多变量和规则。,# default OUTPUT_OPTION = -o $ # default CC = cc # default COMPILE.c = $(CC) $(CFLAGS) $(CPPFLAGS) $(TARGET_ARCH) -c %.o: %.c # commands to execute (built-in): $(COMPILE.c) $(OUTPUT_OPTION) $,#号在Makefile中表示单行注释，就像C语言的/注释一样。CC是一个Makefile变量，用CC = cc定义和赋值，用$(CC)取它的值，其值应该是cc。Makefile变量像C的宏定义一样，代表一串字符，在取值的地方展开。cc是一个符号链接，通常指向gcc，在有些UNIX系统上可能指向另外一种C编译器。 CFLAGS这个变量没有定义，$(CFLAGS)展开是空，CPPFLAGS和TARGET_ARCH也是如此。这样$(COMPILE.c)展开应该是cc空空空-c，去掉所有的“空”得到cc-c，注意中间留下4个空格，所以%.o: %.c规则的命令$(COMPILE.c)$(OUTPUT_OPTION)$展开之后是cc-c-o$，和上面的编译命令已经很接近了。,%.o: %.c是一种特殊的规则，称为模式规则（Pattern Rule）。现在回顾一下整个过程，在我们的Makefile中以hello.o为目标的规则都没有命令列表，所以make会查找隐含规则，发现隐含规则中有这样一条模式规则适用，hello.o符合%.o的模式，现在%就代表hello（称为hello.o这个名字的Stem），再替换到%.c中就是hello.c。,GDB程序调试,GDB是GNU发布的一款功能强大的程序调试工具。GDB主要完成下面三个方面的功能： 1、启动被调试程序。 2、让被调试的程序在指定的位置停住。 3、当程序被停住时，可以检查程序状态（如变量值）。,起步(tst.c),#include void main() int i; long result = 0; for(i=1; i=100; i+) result += i; printf(“result = %d n“, result ); ,GDB快速进阶,1.编译生成可执行文件： gcc -g tst.c -o tst 2.启动GDB gdb tst 3. 在main函数处设置断点 break main 4. 运行程序 run 5. 单步运行 next 6. 继续运行 continue,启动GDB,1. gdb 调试程序名 例：gdb helloworld 2. gdb file 调试程序名,GDB命令,list(l) 查看程序 break(b) 函数名 在某函数入口处添加断点 break(b) 行号 在指定行添加断点 break(b) 文件名:行号 在指定文件的指定行添加断点 break(b) 行号if 条件 当条件为真时，指定行号处断点生效，例b 5 if i=10，当i等于10时第5行断点生效,GDB命令,info break 查看所有设置的断点 delete 断点编号 删除断点 run(r) 开始运行程序 next(n) 单步运行程序(不进入子函数) step(s) 单步运行程序(进入子函数) continue(c) 继续运行程序 print(p) 变量名 查看指定变量值 finish 运行程序,直到当前函数结束 watch 变量名 对指定变量进行监控 quit(q) 退出gdb,4.5 位运算,4.5.1 位运算符,C语言提供了六种位运算符： &（按位与）、|（按位或）、（按位异或）、（取反）、（右移）。,1、按位与运算,位运算符 按位与运算：只有对应的两个二进位均为1时，结果位才为1 ，否则为0。参与运算的数以补码方式出现。 例如：9 & 5可写成算式如下： 可见 9 & 5 = 1。,按位与运算通常用来对某些位清0或保留某些位。 例如把a 的高八位清0，保留低八位，可作 a ,2、 按位或运算,只要对应的二个二进位有一个为1时，结果位就为1。 例如：9|5可写算式如下： 可见9|5=13。,main() int a=9,b=5,c; c=a|b; printf(“a=%d/nb=%d/nc=%d/n“,a,b,c); ,3、按位异或运算,当两对应的二进位相异时，结果为1。 例如 95 ： main() int a=9; a=a15; printf(“a=%d/n“,a); ,4、求反运算,其功能是对参与运算的数的各二进位按位求反。 例如，9的运算为：(0000000000001001)结果为：1111111111110110。,5、 左移运算,把“ ”左边的运算数的各二进位全部左移若干位，由“”右边的数指定移动的位数，高位丢弃，低位补0。,例如： a4,6、 右移运算,把“ ”左边的运算数的各二进位全部右移若干位，“”右边的数指定移动的位数。 例如：设 a=15，a2表示把000001111右移为00000011(十进制3)。,4.5.2 位表达式,将位运算符连接起来所构成的表达式称为位表达式。在这些位运算符中，其优先级依次为： （取反运算符）、（左移或右移）、&（按位与）或|（按位或）或（按位异或）。,a = 5; 就等价于： a = a 5; 再比如：GPDR 完成了对GPDR的清0。,一个常用的操作是用 ,也可以用|、 /* 将x的第6位设置为1 */,本章小结,本章是在嵌入式Linux中进行程序设计的基础，介绍了Gcc编译器的使用，虽然它的选项较多，但掌握常用的一些选项即可。介绍了Make工程管理器的使用，这里包括Makefile的基本结构、Makefile的变量定义及其规则和 make命令的使用。还介绍了autotools的使用，这在项目设计中是非常有用的工具。最后简单介绍了位运算。,感谢您的关注,