【ARM 裸机开发 (IMX6ULL-mini)】GNU工具、Makefile 工程构建、链接脚本详解｜C 语言点灯 + 蜂鸣器驱动

文章目录

• • 前言
  • 一、GNU工具链常用工具说明
  • • 1.1 gcc (GNU Compiler Collection)
    • 1.2 ld (GNU Linker)
    • 1.3 objcopy (Binary File Converter)
    • 1.4 objdump (Object File Disassembler)
  • 二、Makefile
  • • 2.1 Makefile基本语法
    • 2.2 简易版Makefile
    • 2.3 链接脚本
    • 2.4 多目录工程Makefile
  • 三、 内存段（Memory Segments）
  • • 3.1 bss段
    • 3.2 COMMON段
    • 3.3 data段
    • 3.4 rodata段（只读数据段）
    • 3.5 各段的特点比较
    • 3.6 在链接脚本中的定义
    • 3.7 关于段名中的通配符说明
  • 四、C语言实现点亮LED
  • 五、C语言实现蜂鸣器

前言

在上篇【ARM裸机开发(IMX6ULL-mini)】arm上的点灯大师：环境配置、基础知识学习及点亮LED灯文章中我们完成了对imx6ull上的LED点灯操作，但是大家会发现，当你修改过代码后，再次编译下载又需要执行这么多指令。效率太低，这时候就得想到老朋友Makefile了。在这篇文章中将分享GNU工具链的说明，也就是上篇文章指令使用到的相关工具的说明，然后就是Makefile工具和引入NXP公司封装的库以及用借助库C语言实现点亮LED灯和使蜂鸣器发声。

一、GNU工具链常用工具说明

1.1 gcc (GNU Compiler Collection)

功能：编译器(Compiler)

• 将C/C++等高级语言源代码转换为汇编代码
• 再将汇编代码转换为目标文件
• 支持多种编程语言和目标平台
• 提供丰富的优化选项和编译控制选项

1.2 ld (GNU Linker)

功能：链接器(Linker)

• 将多个目标文件链接成可执行文件
• 解析和处理符号引用
• 进行地址分配和重定位
• 处理库文件的链接

1.3 objcopy (Binary File Converter)

功能：目标文件格式转换器

• 在不同格式的目标文件之间进行转换
• 将ELF格式转换为纯二进制格式(.bin)
• 从目标文件中提取特定的段(sections)
• 修改目标文件的内容
• 常用于嵌入式开发中的固件生成

1.4 objdump (Object File Disassembler)

功能：目标文件分析器/反汇编器

• 将机器码反汇编为汇编代码
• 查看目标文件的详细信息
• 分析程序的执行指令
• 显示各种文件格式信息

二、Makefile

2.1 Makefile基本语法

对于Makefile，大家可以先看看下面这篇文章，关于Makefile的基本使用。 linux系统中项目工程中的多文件管理（makefile）

Makefile有三个要素：

• 目标（目标文件）
• 依赖（源文件）
• 规则

2.2 简易版Makefile

在了解Makefile的基本语法后，我们可以根据指令写出这样一个简易版的Makefile：

start.bin : start.S
arm–linux–gnueabihf–gcc –g –c start.S –o start.o
arm–linux–gnueabihf–ld –Ttext 0X87800000 start.o –o start.elf
arm–linux–gnueabihf–objcopy –O binary –S –g start.elf start.bin
arm–linux–gnueabihf–objdump –D start.elf > start.dis

clean :
rm –f start.bin start.elf start.o start.dis

但在实现C语言点亮LED灯后我们又会发现，会有main.c start.S多个源文件需要编译。试想一下随着后面功能的增多，会有越来越多的源文件，像这样写Makefile，在每次增加功能后都需要更改Makefile。所以，我们对上面的Makefile进行完善：

target = led
objs = start.o main.o led.o

$(target).bin : $(objs)
arm–linux–gnueabihf–ld –Ttext 0X87800000 $(objs) –o $(target).elf
arm–linux–gnueabihf–objcopy –O binary –S –g $(target).elf $(target).bin
arm–linux–gnueabihf–objdump –D $(target).elf > $(target).dis

%.o : %.S
arm–linux–gnueabihf–gcc –g –c $^ –o $@

%.o : %.c
arm–linux–gnueabihf–gcc –g –c $^ –o $@

clean :
rm –f $(target).bin $(target).elf $(target).dis $(objs)

不难发现，在arm-linux-gnueabihf-ld -Ttext 0X87800000 $(objs) -o $(target).elf这条指令中，我们写了一个固定的数据-Ttext 0X87800000；

为什么这样写，这就得解释一下了：由于.o 是单独编译的碎片，CPU 不能直接跑一堆零散.o；ld链接器将多个目标文件链接成可执行文件，链接的本质就是把碎片拼成一整个程序，并且规定好每一块在内存的位置，最后打包成 elf。

特别注意：- start.o 是启动汇编，必须放在最开头，上电第一条指令- main.o、led.o 是业务 C 代码，放在后面；

链接器把所有.o里面各自的.text全部合并成一个大的.text 段；所有.rodata合并成一个大.rodata，以此类推。

像这样直接写死地址，对我们在后续的代码编写中是不方便的，因此，我们将会使用一个链接脚本来代替这个地址。

2.3 链接脚本

链接脚本： 链接脚本是给链接器 ld 看的配置文件，告诉 arm-linux-gnueabihf-ld： 把一堆编译出来的 .o 目标文件，怎么拼接、放到哪个内存地址、怎么划分段，最终生成 elf 文件。概括来说就是哦：规定程序的内存布局。

语法格式：

上面只是一个框架，实际代码需要根据实际程序来编写，来看我们点亮LED的链接脚本：

SECTIONS
{
. = 0x87800000;
.text :
{
start.o
*(.text)
}

.rodata ALIGN(4) : {*(.rodata*)}
.data ALIGN(4) : {*(.data)}
. = ALIGN(4);
__bss_start = .;
.bss ALIGN(4) : {*(.bss) *(COMMON)}
__bss_end = .;
}

链接脚本写好了，接下来就是应用到Makefile中了： 将-Ttext 0X87800000替换为-Timx6ull.lds（链接脚本的名字，lds是固定后缀）就可以了。

arm–linux–gnueabihf–ld –Timx6ull.lds $(objs) –o $(target).elf

2.4 多目录工程Makefile

这样的Makefile算得上比较完整了，但是到后面你又会发现，这么多文件，什么库文件、源文件、外设相关的文件都在一个文件夹里，显得十分杂乱，不好使用，因此我们一般将其放在四个文件夹中：bsp、imx6ull、obj、project;

• bsp：存放外设相关的文件（板载文件）；
• imx6ull：存放芯片相关的库文件；
• obj：存放相关的编译输出文件；
• project：存放主函数及启动文件。

由于这些文件的路径发生了改变，因此Makefile的代码也需要改变：

target = led

cross_compiler = arm-linux-gnueabihf-

cc = $(cross_compiler)gcc
ld = $(cross_compiler)ld
objcopy = $(cross_compiler)objcopy
objdump = $(cross_compiler)objdump

incdirs = bsp imx6ull
srcdirs = bsp project

include = $(patsubst %, -I%, $(incdirs))

cfiles = $(foreach dir, $(srcdirs), $(wildcard $(dir)/*.c))
sfiles = $(foreach dir, $(srcdirs), $(wildcard $(dir)/*.S))

cfilenodir = $(notdir $(cfiles))
sfilenodir = $(notdir $(sfiles))

cobjs = $(patsubst %, obj/%, $(cfilenodir:.c=.o))
sobjs = $(patsubst %, obj/%, $(sfilenodir:.S=.o))

objs = $(cobjs) $(sobjs)

VPATH = $(srcdirs)

$(target).bin : $(objs)
$(ld) -Timx6ull.lds -o$(target).elf $^
$(objcopy) -O binary -S -g $(target).elf $@
$(objdump) -D $(target).elf > $(target).dis

$(sobjs) : obj/%.o : %.S
@mkdir -p obj
$(cc) -Wall -nostdlib -c $(include) -o $@ $<

$(cobjs) : obj/%.o : %.c
@mkdir -p obj
$(cc) -Wall -nostdlib -c $(include) -o $@ $<

.PHONY : clean
clean:
rm -rf $(objs) $(target).elf $(target).bin $(target).dis
load:
./../imxdownload $(target).bin /dev/sdb

上面就是一个较为完整且通用的Makefile啦。

三、 内存段（Memory Segments）

3.1 bss段

• 用于存放未初始化或初始化为0的数据
• 在运行时会被自动清零
• 典型例子：

static int bss_var; // 静态变量（全局或局部）
int explicit_var = 0; // 显式初始化为0的全局变量

3.2 COMMON段

• 用于存放未初始化的全局变量
• 链接时才确定最终大小和位置
• 允许多个目标文件定义同名符号
• 典型例子：

int common_var; // 未初始化的非静态全局变量

3.3 data段

• 用于存放已初始化的全局变量和静态变量（非零值）
• 需要在程序文件中保存实际的初始值
• 典型例子：

int global_var = 100; // 初始化为非零值
int global_array[] = {1,2,3}; // 初始化为非零数组

3.4 rodata段（只读数据段）

• 存放程序的只读数据
• 运行时受保护，不可修改
• 包含的数据类型：
• 字符串常量
• const修饰的全局变量
• 全局只读数组
• switch跳转表
• 浮点数常量
• 典型例子：

const int MAX_VALUE = 100; // const全局变量
char* str = "Hello World"; // 字符串常量
const int lookup[] = {1,2,3}; // 只读数组

3.5 各段的特点比较

3.6 在链接脚本中的定义

SECTIONS
{
.text : { ... } // 代码段
.rodata ALIGN(4) : {*(.rodata*)} // 只读数据段
.data ALIGN(4) : {*(.data)} // 已初始化数据段
.bss ALIGN(4) : {*(.bss) *(COMMON)} // 未初始化数据段
}

3.7 关于段名中的通配符说明

在链接脚本中，经常会看到类似*(.rodata*)这样的写法，这里包含两个*通配符，它们有不同的含义：

如果只写*(.rodata)而不是*(.rodata*)：

• 只会收集严格命名为.rodata的段
• 其他相关的只读数据段（如.rodata.str1.1等）会被遗漏
• 这些被遗漏的数据可能导致程序无法正常工作

这种通配符的使用是链接脚本中的常见做法，类似的还有：

• *(.text*)：收集所有代码相关的段
• *(.data*)：收集所有数据相关的段

四、C语言实现点亮LED

在启动代码中我们让其在复位异常中跳转到C的主函数中，这样就引导程序进入了C的环境，就可以使用C语言来编写程序了。

实现流程：

所谓的操作外设，其实就是对其所对应的寄存器进行操作，根据我们上篇文章中的汇编代码，我们可以这样来写C代码：

#define CCM_CCGR0 (*((volatile unsigned int *)0x020C4068)) //20C_4068h
#define CCM_CCGR1 (*((volatile unsigned int *)0x020C406C)) //20C_406Ch
#define CCM_CCGR2 (*((volatile unsigned int *)0x020C4070))
#define CCM_CCGR3 (*((volatile unsigned int *)0x020C4074))
#define CCM_CCGR4 (*((volatile unsigned int *)0x020C4078))
#define CCM_CCGR5 (*((volatile unsigned int *)0x020C407C))
#define CCM_CCGR6 (*((volatile unsigned int *)0x020C4080))

#define SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 (*((volatile unsigned int *)0x020E0068)) //20E_0068h
#define SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03 (*((volatile unsigned int *)0x020E02F4)) //20E_02F4h

#define GPIO1_GDIR (*((volatile unsigned int *)0x0209C004)) //209_C004
#define GPIO1_DR (*((volatile unsigned int *)0x0209C000)) //209_C000

裸机寄存器操作不加 volatile，编译器可能会优化掉读写代码，代码直接失效！ 例如r1 = r1这种操作，在编译器眼里可能是没有作用的，就不执行这行代码了。

将LED这个外设所设计到的寄存器进行宏定义，通过操作这个宏来达到操作寄存器，从而操作外设的目的；但是不难发现，外设涉及到的寄存器这么多。每换一个外设就需要定义新的宏，并且还需要不停的翻手册查地址，这样编写程序的效率太低了，因此，大部分的芯片厂商都会提供一个封装好了的函数库，方便用户编写程序。下面就是厂家提供的相关的库。

在手册中我们可以发现很多寄存器的地址是连续的，因此在厂家提供的库函数中，它对寄存器的宏定义的原理是这样的：

//使用结构体来使用寄存器
typedef struct
{
volatile unsigned int DR;
volatile unsigned int GDIR;
volatile unsigned int PSR;
volatile unsigned int ICR_1;
volatile unsigned int ICR_2;
volatile unsigned int IMR;
volatile unsigned int ISR;
volatile unsigned int EDGE_SEl;
}GPIO_TYPE_t;

#define GPIO1 ((GPIO_TYPE_t *)(0x0209C000))

这样就可以通过访问这个宏指向的不同寄存器进行操作了。

利用库函数完成LED代码示例： main.c

#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "led.h"

void enable_clocks(void)
{
CCM->CCGR0 = 0xFFFFFFFF;
CCM->CCGR1 = 0xFFFFFFFF;
CCM->CCGR2 = 0xFFFFFFFF;
CCM->CCGR3 = 0xFFFFFFFF;
CCM->CCGR4 = 0xFFFFFFFF;
CCM->CCGR5 = 0xFFFFFFFF;
CCM->CCGR6 = 0xFFFFFFFF;
}

void delay(unsigned int n)
{
while(n—);
}

int main(void)
{
enable_clocks();
led_init();

led_on();
while(1)
{
led_nor();
delay(0xaffff);
}

return 0;
}

led.c：

#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "led.h"
void led_init()
{
//引脚复用功能
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0);

//引脚电气属性
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0x10B0);

//引脚方向
GPIO1->GDIR |= (1 << 3);
}

void led_on()
{
GPIO1->DR &= ~(1 << 3);
}

void led_off()
{
GPIO1->DR |= (1 << 3);
}

void led_nor()
{
GPIO1->DR ^= (1 << 3);
}

五、C语言实现蜂鸣器

实现流程：

由于IMX6ULL开发板的蜂鸣器是一个有源蜂鸣器，所以只需要对齐输出高低电平就可以令其发声。 通过原理图，我们可以找到蜂鸣器所接的引脚的默认功能为SNVS TAMPER1，进而我们可以在手册中找到

然后根据手册的解释，就可以完成对这个引脚的相关操作了。

代码示例： beep.c：

#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "beep.h"

void beep_init(void)
{
//引脚复用功能
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_SNVS_SNVS_TAMPER1_GPIO5_IO01, 0);

//引脚电气属性
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_SNVS_SNVS_TAMPER1_GPIO5_IO01, 0x10B0);

//引脚方向
GPIO5->GDIR |= (1 << 1);
}

void beep_on(void)
{
GPIO5->DR &= ~(1 << 1);
}

void beep_off(void)
{
GPIO5->DR |= (1 << 1);
}

void beep_nor(void)
{
GPIO5->DR ^= (1 << 1);
}

main.c：

#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "led.h"
#include "beep.h"

void enable_clocks(void)
{
CCM->CCGR0 = 0xFFFFFFFF;
CCM->CCGR1 = 0xFFFFFFFF;
CCM->CCGR2 = 0xFFFFFFFF;
CCM->CCGR3 = 0xFFFFFFFF;
CCM->CCGR4 = 0xFFFFFFFF;
CCM->CCGR5 = 0xFFFFFFFF;
CCM->CCGR6 = 0xFFFFFFFF;
}

void delay(unsigned int n)
{
while(n—);
}

int main(void)
{
enable_clocks();
led_init();
beep_init();
//beep_on();

led_on();
while(1)
{
led_nor();
beep_nor();
delay(0xaffff);
}

return 0;
}