MCU程序的编译与链接及格式转换
在MCU（微控制单元）开发中，程序从源代码到最终可烧录到硬件设备的文件，需要经过编译、链接以及格式转换等步骤，以下是详细介绍：
编译（Compilation）
编译是将高级语言（如C、C++）或汇编语言编写的源代码转换为目标代码（机器语言的中间表示形式）的过程。
涉及的工具
- C/C++编译器：在ARM MCU开发中，常用的有
armcc（ARM Compiler for C/C++）。以Keil MDK开发环境为例，它集成了armcc，能够将.c和.cpp文件编译成目标文件（.o） 。 - 汇编编译器：比如
armasm，用于将汇编语言编写的.s文件转换为目标文件（.o）。汇编语言可以直接对硬件进行操作，在一些对性能要求极高或者需要直接控制硬件底层的场景下使用。
编译的具体步骤
- 预处理（Preprocessing）：对源代码中的预处理指令（如
#include、#define等）进行处理。例如，#include指令会将对应的头文件内容插入到源文件中，#define指令会进行宏替换。 - 词法分析（Lexical Analysis）：将源代码的字符流分割成一个个的词法单元（token），如关键字、标识符、常量、运算符等。
- 语法分析（Syntax Analysis）：根据编程语言的语法规则，将词法单元组成的序列构建成抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST），检查代码是否符合语法规则。
- 语义分析（Semantic Analysis）：对抽象语法树进行语义检查，例如检查变量的声明和使用是否一致、函数调用的参数类型是否匹配等。
- 中间代码生成（Intermediate Code Generation）：将经过语义分析的抽象语法树转换为一种中间表示形式，这种中间代码通常与具体的硬件架构无关，便于后续的优化。
- 代码优化（Code Optimization）：对中间代码进行优化，提高代码的执行效率，减少代码占用的空间。常见的优化手段包括常量折叠、循环展开、死代码消除等。
- 目标代码生成（Object Code Generation）：根据目标硬件平台（如ARM Cortex-M系列MCU）的指令集，将优化后的中间代码转换为目标代码（机器语言指令），生成
.o文件。每个.o文件包含了对应源文件编译后的代码和数据， 并以特定的段（section）形式组织，如代码段（.text）、只读数据段（.rodata）、读写数据段（.data）等。
链接（Linking）
链接是将多个目标文件（.o）以及所需的库文件组合成一个可执行的映像文件的过程。
涉及的工具
常用的链接器如armlink（ARM Linker），它会根据链接脚本（.ld文件）来确定各个段在内存中的位置和布局。
链接的具体步骤
- 符号解析（Symbol Resolution）：目标文件中可能会引用其他文件中定义的符号（如函数名、变量名），链接器需要找到这些符号的定义所在的目标文件，并将引用与定义进行关联。例如，一个
.c文件中调用了另一个.c文件中定义的函数，链接器会找到该函数定义所在的目标文件，并确定其地址。 - 重定位（Relocation）：由于各个目标文件在编译时是独立生成的，其中的代码和数据的地址都是相对的。链接器需要根据链接脚本中指定的内存布局，为每个段分配实际的物理地址或虚拟地址，并修改目标文件中对这些符号的引用，使其指向正确的地址。
- 合并段（Section Merging）：将各个目标文件中的相同类型的段进行合并。例如，将所有目标文件中的
.text段合并成一个大的代码段，将.rodata段合并成一个只读数据段等。最终生成一个完整的、可执行的映像文件，该文件包含了程序运行所需的所有代码和数据，并按照指定的内存布局进行组织。
格式转换（Format Conversion）
链接生成的映像文件通常不能直接烧录到MCU中，需要转换为特定的文件格式。
涉及的工具
例如fromelf（ARM fromELF Utility），它可以将链接生成的ELF格式的映像文件转换为其他格式，如二进制文件（.bin）或十六进制文件（.hex）。
常见的文件格式
- 二进制文件（
.bin）：只包含程序的二进制数据，不包含任何地址信息和其他元数据，文件体积最小。烧录时需要指定起始地址。 - 十六进制文件（
.hex）：常见的有Intel Hex格式，它以文本形式存储程序数据，每一行包含了地址、数据长度、数据内容以及校验和等信息。这种格式便于查看和编辑，一些烧录工具支持直接烧录该格式的文件。
通过编译、链接和格式转换这一系列过程，开发人员编写的源代码才能最终变成可以在MCU上运行的程序。 不同的开发环境和工具链在具体操作和细节上可能会有所差异，但基本的原理是相似的。