【嵌入式常识篇】一个C项目工程在IDE中是怎么一步步编译成一个固件包的

**前言:**初学C语言的时候是在Linux环境下,那时候只知道需要通过GCC工具编译成可执行文件才可以在运行,后来进入到了嵌入式行业发现需要IDE将一个C项目工程编译成一个固件包,那时候经常会产生一个疑问:一个C项目工程在IDE中是怎么一步步编译成一个固件包的呢?下面就解答一下这个疑问。时光荏苒,也算是给当年刚入行的自己一个答案。


1️⃣,流程简述

将一个 C 项目工程源代码 编译成 固件包(hex、bin、elf 等) 的过程,涉及 编译工具链IDE 的工作原理。一般来说,固件编译流程分为以下关键步骤:

这个过程通常由 编译工具链 (如 GCCIARKeilClang 等)完成,而 IDE(如 Keil、STM32CubeIDE、IAR 等)负责调用这些工具链,并提供一个图形化的界面来简化开发流程

bash 复制代码
源码 (C/ASM/头文件) 
    ↓
预处理器 (Preprocessor) 
    ↓
编译器 (Compiler) 
    ↓
汇编器 (Assembler) 
    ↓
链接器 (Linker) 
    ↓
固件包 (HEX/BIN/ELF 文件)

对应的执行流程框图如下:


2️⃣,预处理(Preprocessing)

预处理器会在编译前对源代码进行 文本替换和展开,主要包括:

  • 处理 #include 头文件的引用。
  • 替换宏定义(#define)。
  • 处理条件编译指令(#ifdef#ifndef#endif 等)。
  • 移除注释。

举个例子:下面的这个是源代码

cpp 复制代码
#include "my_header.h"
#define LED_PIN 13

void main() {
    int pin = LED_PIN;
}

当预处理之后:

cpp 复制代码
void main() {
    int pin = 13;
}

对应的预处理工具与命令:(最经典的就是GCC,当然如果是其他的芯片环境平台可能就需要用到交叉编译工具了)

GCC: gcc -E main.c -o main.i


3️⃣,编译(Compilation)

预处理完成的 .i 文件(纯文本 C 代码)会被编译器转换成 汇编代码

  • 编译器的任务
    • 语法分析,检查代码的语法和语义。
    • 生成对应的汇编代码(.s 文件)

同样是上面的例子:编译后的汇编代码:

cpp 复制代码
mov r0, #13
str r0, [sp, #4]

编译工具:

  • GCC: gcc -S main.i -o main.s

4️⃣,链接(Linking)

链接器的任务是将多个 目标文件(.o 文件)库文件(.a 或 .lib 文件)启动文件(startup 文件) 合并成一个 可执行的固件文件(.elf/.bin/.hex)

  • 链接的工作内容
    • 解析和解决函数、变量的外部引用。
    • 合并不同模块的目标文件。
    • 分配内存地址(根据链接脚本 linker script)。
    • 生成可执行文件(如 .elf.bin.hex)。

链接工具:

  • GCC: gcc main.o -o main.elf -T linker_script.ld

示例:

如果有多个文件:

cpp 复制代码
main.o      // 主程序
startup.o   // 启动代码
libc.a      // 标准库

链接后的 ELF 文件:

cpp 复制代码
main.elf

📋 ELF 文件包含的信息

  • 可执行机器指令。
  • 符号表、调试信息。
  • 内存布局(.text、.data、.bss、堆栈等段)。

5️⃣,转换(Conversion)

编译完成后生成的 ELF 文件,可能还需要转换成 HEXBIN 格式,便于烧录到芯片中。

  • .elf 文件是包含调试信息的可执行文件,通常用于开发和调试阶段。
  • .hex 文件是Intel HEX 格式的固件包,通常用于烧录工具。
  • .bin 文件是纯二进制格式的固件包

转换工具:

  • objcopy 工具可以将 ELF 文件转换成 HEX/BIN 文件。
bash 复制代码
# 转换成 HEX 文件
arm-none-eabi-objcopy -O ihex main.elf main.hex

# 转换成 BIN 文件
arm-none-eabi-objcopy -O binary main.elf main.bin

🛠️ IDE 的编译流程

常用的 IDE(如 Keil、IAR、STM32CubeIDE)会自动调用编译工具链,按以下步骤完成编译:

  1. 解析项目文件project.uvprojx.cproject 等)。

  2. 调用编译器 ,对每个源文件进行预处理、编译、汇编,生成 .o 文件。

  3. 调用链接器 ,根据链接脚本生成 .elf 文件。

  4. 调用转换工具 ,生成 .hex.bin 文件。

  5. 调用烧录工具,将固件烧录到芯片中(如果配置了烧录选项)。


📌 链接脚本(Linker Script)

链接脚本控制着固件的内存布局,包括:

  • 代码段(.text) 放在 Flash 中。
  • 初始化数据段(.data) 放在 RAM 中。
  • 未初始化数据段(.bss) 放在 RAM 中。
  • 堆栈和堆的分配

典型的链接脚本片段:

cpp 复制代码
MEMORY
{
    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 512K
    RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
}

SECTIONS
{
    .text : {
        *(.text)
        *(.rodata)
    } > FLASH

    .data : {
        *(.data)
    } > RAM AT > FLASH

    .bss : {
        *(.bss)
    } > RAM
}

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