笔者来聊聊编译器的用法

arm编译器学习

首先来了解一下编译器，其通常分为三个部分：前端+优化器+后端。

• 前端：词法、语法和语义分析，将源代码转化为抽象语法树，生成中间代码
• 优化器：对得到的中间代码进行优化，使得代码更加高效，
• 后端：将优化的代码转化为针对各自平台的机器代码。

再通俗地说编译器的工作就是：源代码->预处理->编译->目标代码->链接->可执行程序。

再来简单看看一些编译器的历史，GCC、LLVM以及Clang等，以及文章介绍的armcc 以及armclang。

1. GCC （GNU Compiler Collection）是GNU开发的编译器，许可证为GPL的自由软件；
2. GCC 原来只能处理C，现在可以处理C++、Pascal、Object-C、Java等。
3. 苹果公司之前一直使用GCC作为编译器，但是GCC对Objective-C支持一直不怎么好，好多新特性没有增加，所以苹果公司开始寻求编译器的替代品。
4. 这个时候LLVM就出现了，是Chris Lattner在硕士和博士时提出和形成的编译器，不过其是采用GCC的前端进行语义分析，然后LLVM做优化和生成目标代码，可以叫做LLVM-GCC。
5. 后来苹果公司直接计划绕开GCC，于是招募了Chris Lattner 博士开发编译器，Clang就这样诞生了，其基于LLVM开发的C/C++/Obj-C编译器，实际上其是一个编译器前端，来取代GCC或者超越GCC
6. armcc 是arm 公司开发的一款编译器，集成在KEIL以及ARM DS IDE里面，于5.06版本后停滞（AC5），不继续维护，其前端基于 Edison Design Group 。
7. armclang 集成于armcc，基于新的架构 clang 和LLVM，作为arm 的第六代编译器，AC6，成为今后主推的编译器。

armcc 编译器

arm 公司 开发的一款编译器，在2005年收购 KEIL 公司后，这块编译器就集成在KEIL IDE里面，以及自家开发的ARM DS5，编译器以及IDE相关的文档可以去ARM 公司的官网下载。

下载的文档主要分几个部分：armcc 编译器、armasm 汇编器、armlink 链接器、armar 打包以及fromelf bin文件。

1、armcc

armcc 编译器 主要是编译.c/.cpp源文件文件，生成目标文件，通过各种编译选项 command-line来支持各种特性。接着来罗列几个常见的编译选项。

一般的arm cc的编译器的编译器的语法如下：

armcc [options] [source] 
举例如下：
armcc -I ../common/ -I ../driver  -g --apcs=interwork --cpu=Cortex-R5 -c ../common/led.c -o ../out/led.o

• -c/-C/-o/-D
  -c 代表 只是编译，不进入链接步骤，
  -C 保留预处理的输出，然后-E 可以指定预处理输出到某个指定文件。

  armcc -c -C -E  -I ../common/ -I ../driver -g --apcs=interwork --cpu=Cortex-R5 ../common/led.c -o ../out/led.i

  这样之后，可以看到预处理的结果，比如宏替换后的结果，方便分析问题。

-o 指定输出的文件名称

-D 定义宏名称，例如：-DLOG -DUART=1 -U 移除已经定义的宏名称

#define LOG
#define UART 1

在编译器命令行指定上面的宏，相当于在程序里面定义上述代码的定义

• "-I"：指定include的目录 ，如果路径没指定，编译阶段就会报错，找不到相关的文件，相比大家都见过这个错误吧。

• --c99 --c90 指的的是C语言的语法版本
  
• --cpu=name 比如 --cpu=Cortex-R5
  
  
• -M/--md 这两个是用来为每个源文件产生编译依赖，--md 生成.d文件，表示这个目标文件所依赖的头文件。这个在增量编译非常有用，再找到依赖关系后，更新依赖，则可以只编译修改的文件以及依赖的文件。
  

  armcc  -c -M  -I ..\SYSTEM\sys  -I ...  sys.c --no_depend_single_line --md  

  

• --diag_error/--diag_suppress/--diag_warning 对编译的警告以及错误进行处理，比如屏蔽某个编译警告/错误

  --diag_error=warning                      将err的编译消息视为warning,
  --diag_suppress=3017,1256,1148            将编译消息 编码为 3017,1256,1148的诊断消息屏蔽
  --diag_warning=1234,5678                  屏蔽编码为 1234,5678的warning的诊断消息      
  --diag_warning=error                      将warning视为error

  
  例如下面的20、223 这种编码序号。

• --feedback=filename 编译反馈，主要是用来去除没有用到的代码 （数据以及code），需要与链接的选项一起使用，通常需要编译两次。

  --feedback=unused_section.txt   编译器阶段把没用到的代码和code单独放在一个section，方便链接阶段去除，链接阶段，生成不用的section区
  --feedback=image_none           忽略链接阶段的链接脚本，忽略代码布局，则不会生成axf文件
  --remove                        去除不用的section
  --keep memory_alyout.o\(rw\)    可以设置memory_out.o中的rw段不删除
  通过feedback，空间从950k -> 800k (双core的bin 所需空间)

• --inline/--forceinline 前者会对函数是否内敛进行考虑，后者强制将所有函数进行内敛，要对单个函数进行内敛，可以考虑对函数进行修饰，__forceinline。
  • 需要注意的是，并不是所有的函数都可以内联，比如递归函数。

• --littleend/--bigend 数据大小端设置，
  

• -O0/O1/O2/O3/Otime/Ospace 编译优化选项
• O0 最小优化。关闭大多数优化。
  启用调试时，此选项提供最佳调试视图，因为生成代码的结构直接对应于源代码。所有干扰调试视图的优化都被禁用。
  • 可以在任何可到达的点设置断点，包括死代码（程序执行不到的地方 或者没有受调用的地方）。
  • 变量的值在其范围内的任何地方都可用，但它所在的位置除外未初始化。
  • Backtrace 提供了读取源代码时预期的函数调用栈关系。
  • 虽然 -O0 生成的调试视图与源代码最接近，但用户可能更喜欢 -O1 生成的调试视图，因为在不改变基本结构的情况下，提高了代码的质量
  • 死代码包括对程序结果没有影响的代码，例如对从未使用过的局部变量的赋值。无法访问的代码是专门的代码无法通过任何控制流路径访问，例如紧跟在返回之后的代码。
  • 即使声明了内联函数，也不会内联，会当函数（symbol）处理，（gcc编译器也类似）
• O1受限优化。编译器只执行可以描述为调试信息的优化。
  删除未使用的内联函数和未使用的静态函数。关掉严重降低调试视图的优化。如果与 --debug 一起使用，此选项会给出总体上令人满意的调试视图且具有良好的代码密度。
  调试视图与 –O0 的区别在于：
  • 不能在死代码上设置断点。
  • 变量的值在初始化后可能在其范围内不可用。例如，如果他们分配的位置已被重复使用。
  • 没有影响的函数可能会被乱序调用，或者如果结果是不需要的。
  • Backtrace 可能不准确，因为在栈的方面处理有变化，存在调用优化。
  • 优化级别 –O1 在源代码和对象之间产生良好的对应关系代码，特别是当源代码不包含死代码时。
  • 生成的代码可以是明显小于 –O0 处的代码，这可以简化目标代码的分析。
  • 会将声明为inline的函数进行内联处理
• O2高度优化。
  如果与 --debug 一起使用，调试视图可能不太令人满意，因为目标代码到源代码的映射并不总是清晰的。 编译器可能会执行调试信息无法描述的优化。
  这是默认的优化级别。
  调试视图与 –O1 的区别在于：
  • 源代码到目标代码的映射可能是多对一的，因为可能多个源代码位置映射到目标文件的一个点，更激进的指令优化。
  • 允许指令调度跨越序列点。 这可能导致变量在特定点的报告值与期望的值不匹配。
  • 编译器自动内联函数

• O3最大优化。
  启用调试后，此选项通常会提供较差的调试视图。 ARM 建议在较低的优化级别进行调试。
  如果同时使用 -O3 和 -Otime，编译器会执行更积极的额外优化，例如：

  • 高级标量优化，包括循环展开。这可以给显着以较小的代码大小成本获得性能优势，但存在构建时间较长的风险。
  • 更积极的内联和自动内联。
  • 这些优化有效地重写了输入源代码，导致目标代码与源代码的最低对应和最差的调试视图。 --loop_optimization_level=option ，控制在 –O3 –Otime 执行的循环优化效果。循环优化的数量越高，源代码和目标代码之间的对应关系就越差。
  • 使用 --vectorize 选项还降低了源代码和目标代码之间的对应关系。有关在源代码上执行的高级转换的更多信息，请访问–O3 –Otime 使用 --remarks 命令行选项。
  • 因为优化会影响目标代码到源代码的映射，所以使用 -Ospace 和 -Otime 选择优化级别通常会影响调试视图。
  • 如果需要简单的调试视图，选项 -O0 是最好的选择。 选择 -O0 通常会将 ELF 映像的大小增加 7% 到 15%。 要减小调试表的大小，请使用--remove_unneeded_entities 选项
  • --split_sections
    为每个源文件的函数创建一个section，方便在链接的时候去掉.o文件 中的不用的函数。
    --attribute((section(...))) 可以修饰data 和 function，将其放到指定的section，而不是放到默认的section
  • --thumb
    将该.c文件编译成 thumb指令，

    #pragma  arm         编译成arm指令
    #pragma  thumb       编译成thumb指令
    #pragam  push        保存#pragma 状态
    #pragma  pop         弹出状态 与上面的可以一起使用
    #pragma  pack（n）   设置 n字节对齐，对于结构体来说。

  • --use_frame_pointer
    这个设置栈顶指针，每次进入函数后，会首先将栈顶压入栈，之后再做其他的寄存器压栈，这样的好处是backtrace的调用关系很容易找出来。详见[ARM学习（1） 寄存器的理解 ===》FP、SP、LR寄存器]
  • -apcs=interwork 支持内部thumb与arm 指令相互切换，比如BLX，这个支持thumb指令的地方用处较多.

2、armasm

• 嵌入式汇编
  • 函数形参列表可以使用变量，但是函数体必须要用寄存器，函数体都是汇编语言实现
  • 需要汇编语言处理返回指令

    __asm return-type function-name(parameter-list)
    {
    // ARM/Thumb assembly code
    instruction{;comment is optional}
    ...
    instruction
    }
    /*示例1*/
    __asm int f(int i)
    {
    ADD r0, r0, #1 
    }
    /*示例2*/
    #include <stdio.h>
    __asm void my_strcpy(const char *src, char *dst)
    {
    loop
    LDRB r2, [r0], #1
    STRB r2, [r1], #1
    CMP r2, #0
    BNE loop
    BX lr
    }
    int main(void)
    {
    const char *a = "Hello world!";
    char b[20];
    my_strcpy (a, b);
    printf("Original string: '%s'\n", a);
    printf("Copied string: '%s'\n", b);
    return 0;
    }

• 内联汇编

  • 同一行如果有多行指令，必须要有封号（；）
  • 如果一个指令超出一行，需要增加反斜杠（\）
  • 在多行格式中，允许在内联汇编语言块中的任何位置使用C和C++注释。但是注释不能嵌入到多条指令的行中。
  • 在汇编语言中，逗号（，）用作分隔符，所以C表达式的逗号运算符必须用括号括起来来和它们进行区分
  • 标签必须后跟冒号，：，如C和C++标签
  • asm语句必须位于C++函数内部。asm语句可以在任何需要C++语句的地方使用
  • 内联程序集代码中的寄存器名被视为C或C++变量。它们不一定与同名的物理寄存器有关。如果寄存器未声明为C或C++变量，编译器将生成警告
  • 不得在内联程序集代码中保存和还原寄存器，编译器会执行此操作。此外，内联汇编程序不提供对物理寄存器的直接访问。然而，可以通过变量间接访问寄存器
  • pc/lr/sp:current_pc,__current_sp, and return_address 来read
  • 内联汇编中不要修改处理器模式或者协处理器的状态

    int f(int x)
    {
    __asm
    {
    STMFD sp!, {r0} // save r0 - illegal: read before write
    ADD r0, x, 1
    EOR x, r0, x
    LDMFD sp!, {r0} // restore r0 - not needed.
    }
    return x;
    }
    The function must be written as:
    int f(int x)
    {
    int r0;
    __asm
    {
    ADD r0, x, 1
    EOR x, r0, x
    }
    return x;
    }
    int foo(int x, int y)
    {
    __asm
    {
    SUBS x,x,y
    BEQ end
    }
    return 1;
    end:
    return 0;
    }

• 汇编语言
  待完善
• 汇编选项
  • --cpu ：CPU类型
  • --apcs ：arm与thumb指令混合调用与使用
  • --depend ：写出汇编文件的依赖关系到文件，make工具会使用该依赖关系去增量编译

汇编选项一般都比较少，只是编译启动文件会用到，例如STM32的等，都不多，选择对应的CPU以及架构，基本就可以。

--cpu Cortex-M3 -g --apcs=interwork --pd "__MICROLIB SETA 1" 
-I D:\SoftWare\MDK\system\Packs\Keil\STM32F1xx_DFP\2.3.0\Device\Include 
--pd "__UVISION_VERSION SETA 537" --pd "STM32F10X_HD SETA 1" --list ".\Listings\*.lst" --xref -o "*.o" --depend "*.d" 

3、 armlink

• Image结构与视图
• 链接器优化
• 链接符号管理
• 链接脚本语法
• 链接选项
  

  4、 armar

5、fromelf

armclang 编译器

官网下载

armclang 相较于 armcc的优势

参考

1. LLVM/Clang 介绍
2. KEIL 介绍