【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)](#1.1 gcc (GNU Compiler Collection))
  - [1.2 ld (GNU Linker)](#1.2 ld (GNU Linker))
  - [1.3 objcopy (Binary File Converter)](#1.3 objcopy (Binary File Converter))
  - [1.4 objdump (Object File Disassembler)](#1.4 objdump (Object File Disassembler))
- 二、Makefile
- - [2.1 Makefile基本语法](#2.1 Makefile基本语法)
  - [2.2 简易版Makefile](#2.2 简易版Makefile)
  - [2.3 链接脚本](#2.3 链接脚本)
  - [2.4 多目录工程Makefile](#2.4 多目录工程Makefile)
- [三、内存段（Memory Segments）](#三、内存段（Memory Segments）)
- - [3.1 bss段](#3.1 bss段)
  - [3.2 COMMON段](#3.2 COMMON段)
  - [3.3 data段](#3.3 data段)
  - [3.4 rodata段（只读数据段）](#3.4 rodata段（只读数据段）)
  - [3.5 各段的特点比较](#3.5 各段的特点比较)
  - [3.6 在链接脚本中的定义](#3.6 在链接脚本中的定义)
  - [3.7 关于段名中的通配符说明](#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：

c 复制代码

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：

c 复制代码

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)

target ：定义变量 target，最终生成中间固件及最后下载程序名字前缀 led；
objs ：所有需要参与链接的目标文件：汇编start.S、C 文件main.c、led.c编译出的.o；
$(target).bin :$ (objs) ：最终目标 led.bin 依赖 start.o main.o led.o，只要其中任意.o 更新就会重新执行下面命令；
%.o : %.c （%.o : %.S ）：% 是 Makefile 的通配符 ，用于模式规则（pattern rule） ；%.o：匹配 xxx.o，% 捕获 xxx，含义就是：任意 .o 文件由同名的 .c 文件生成；
-c：只编译不链接；$^代表所有依赖文件；$@代表目标文件

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 ：

0x10000000;：定程序的链接起始地址 ，告诉链接器：所有代码从 0x10000000 这个内存地址开始链接。
划分各个段：.text / .rodata / .data / .bss
- .text：代码（汇编、C 指令）
- .rodata：const 只读常量
- .data：已经初始化的全局变量
- .bss：未初始化全局变量（不占用 bin 文件大小）
后面会单独一个章节来讲这些段的含义。
ALIGN(4)：ARM32 要求 4 字节对齐，避免内存访问异常。ALIGN(4)让段起始地址 4 字节对齐。

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：

c 复制代码

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 = .;
}

. = 0x87800000;指定程序的链接起始地址 ：告诉链接器：所有代码从 0x87800000 这个内存地址开始链接。
划分各个段：.text / .rodata / .data / .bss；
.text大括号中：控制目标文件的存放顺序：强制start.o 放在代码段最开头。
__bss_start = .; __bss_end = .;定义全局符号，给 C / 汇编代码使用,把当前位置计数器.赋值给符号，导出到 elf。
ALIGN(4)：设置内存对齐。

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。

c 复制代码

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：

c++ 复制代码

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：

c 复制代码

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：

c 复制代码

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：

c 复制代码

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：
1. 字符串常量
2. const修饰的全局变量
3. 全局只读数组
4. switch跳转表
5. 浮点数常量
典型例子：

c 复制代码

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

段名	初始化	运行时可写	链接特性
.bss	自动清零	可写	编译时确定大小
COMMON	自动清零	可写	链接时确定大小
.data	需要初始值	可写	编译时确定大小
.rodata	需要初始值	只读	编译时确定大小

3.6 在链接脚本中的定义

c 复制代码

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：

第一个*：
- 表示收集所有输入文件中的相关段
- 如果不加这个*，就只会收集特定文件的段
第二个*（如rodata*中的*）：
- 用于匹配所有以.rodata开头的段名
- 实际编译时会产生多种rodata相关的段，例如：
  - .rodata：基本的只读数据段
  - .rodata.str1.1：长度为1字节对齐的字符串常量
  - .rodata.str1.4：长度为4字节对齐的字符串常量
  - .rodata.cst8：8字节常量（如double类型的常量）
  - .rodata.cst4：4字节常量（如float类型的常量）

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：

c 复制代码

#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

0x020C4068：寄存器物理地址
(volatile unsigned int *)：把这个数字强制转换成无符号 32 位指针
最外层 *：解引用指针，直接读写该地址上的值
volatile 非常关键
告诉编译器：这个变量是硬件寄存器，值会被硬件自动改变，不要做优化、不要缓存到寄存器，每次读写都必须访问真实内存。

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。

MCIMX6Y2 ：定义全部外设寄存器地址、寄存器位掩码 。就是：CCM_CCGR1、GPIO1_DR、GPIO1_GDIR这些宏，官方已经全部帮你写好了，不用自己手动算地址写宏。
fsl_iomuxc.h ：IO 复用专用头文件定义所有引脚复用宏、PAD 配置的参数宏。比如 IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03 ，直接一句话把引脚复用为 GPIO1_IO03。专门简化 IO 引脚复用、PAD 电气属性配置。
fsl_common.h 【通用工具函数 / 宏】
fsl = Freescale（飞思卡尔，被 NXP 收购）
✅ 作用：
提供 SDK 通用基础宏、位操作工具、中断、时钟通用函数，比如IOMUXC_SetPinMux()、IOMUXC_SetPinConfig()，引脚配置 API 就在这个头文件声明。
core_ca7.h 【CMSIS CA7 内核头文件】
CMSIS ARM 标准内核头文件，Cortex‑A7 专用
✅ 作用：
操作 CPU 内核本身：CPSR、MMU、Cache、中断寄存器、MPU 等内核相关寄存器。
裸机启动、开启 Cache、操作内核寄存器时用到；普通 LED 驱动一般暂时不用。
cc.h 【编译器适配头文件】
compiler compatibility，编译器兼容层。
✅ 作用：
对不同编译器（arm-linux-gnueabihf-gcc、armclang、Keil armcc）做适配，定义__IO、__I、__O宏，替代手写volatile unsigned int。比如：#define __IO volatile，SDK 里寄存器声明用__IO uint32_t。

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：

c 复制代码

//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

c 复制代码

#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：

c 复制代码

#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：

c 复制代码

#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：

c 复制代码

#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;
}

【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

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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

三、内存段（Memory Segments）