从零学习开发一个RISC-V操作系统（三）丨嵌入式操作系统开发的常用概念和工具

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  本系列是博主参考B站课程学习开发一个RISC-V的操作系统的学习笔记，计划从RISC-V的底层汇编指令学起，结合C语言，在Ubuntu 20.04上开发一个简易的操作系统。一个目的是通过实践操作学习和了解什么是操作系统，第二个目的是为之后学习RISC-V的集成电路设计打下一定基础。本系列持续不定期更新，分享出来和大家一同交流进步。
  博主是微电子科学与工程专业的学生，对软件和操作系统难免有理解不到位的地方。如有谬误敬请不吝告知，不胜感激。
  参考课程及文章：
  【Bilibili】[完结] 循序渐进，学习开发一个RISC-V上的操作系统 - 汪辰 - 2021春

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一、嵌入式操作习系统开发的常用概念和工具

  嵌入开发是一种比较综合性的技术，它不单指纯粹的软件开发技术，也不单是一种硬件配置技术；它是在特定的硬件环境下针对某款硬件进行开发，是一种系统级别的与硬件结合比较紧密的软件开发技术。
  一般来说，我们在主机（Host PC）上对程序进行编辑和编译，通过特定的手段将主机和目标板（Target Board）进行连接，例如WIFI、互联网、有线连接等，使程序在特定的目标板上运行。程序运行在特定的硬件上，操作系统运行的机器也当然要运行在没有操作系统的硬件上。编写操作系统同样是嵌入式开发的一种。

1.1 本地编译和交叉编译

  参与编译和运行的机器根据其角色可以分成以下三类：

• 构建（build） 系统：执行编译构建动作（编译器可执行程序）的计算机。例如编写GCC工具的计算机。
• 主机（host） 系统：运行 build 系统生成的可执行程序的计算机系统。
• 目标（target） 系统：特别地，当以上生成的可执行程序是 GCC 时，我们用 target 来描述用来运行 GCC 将生成的可执行程序的计算机系统。

  所以，我们可以对本地编译和交叉编译两种工作环境作如下定义：

• 本地（native）编译：build、host、ratget三个系统在同一台机器上。例如在本地编写的C语言程序在本地运行。
• 交叉（cross）编译：build和host系统在同一台机器上，但是和target系统是分离的。例如在PC上编写的程序烧录到单片机上运行。

  例如，如果要查看gcc实际是什么，可以执行如下操作：

$ whereis gcc
gcc: /usr/bin/gcc /usr/lib/gcc /usr/share/gcc /mnt/c/Program Files (x86)/mingw64/bin/gcc.exe /usr/share/man/man1/gcc.1.gz
$ ls -l /usr/bin/gcc
lrwxrwxrwx 1 root root 5 Mar 20  2020 /usr/bin/gcc -> gcc-9
$ ls -l /usr/bin/gcc-9
lrwxrwxrwx 1 root root 22 Oct 24  2022 /usr/bin/gcc-9 -> x86_64-linux-gnu-gcc-9
$ ls -l /usr/bin/x86_64-linux-gnu-gcc-9
-rwxr-xr-x 1 root root 1158288 Oct 24  2022 /usr/bin/x86_64-linux-gnu-gcc-9
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  可以看到，执行gcc后，程序实际执行的程序是x86_64-linux-gnu-gcc-9。GCC被多层符号变量封装在一起了，供用户使用。

  GNU 交叉编译工具链（Toolchain）

• 命名格式： arch-vendor-os1-[os2-]XXX

  例子：

• x86_64-linux-gnu-gcc
• riscv64-unknown-elf-gcc
• riscv64-unknown-elf-objdum

1.2 调试器GDB（The GNU Project Debugger）

  GDB即GNU 项目调试器，用于查看另一个程序在执行过程中正在执行的操作，或该程序崩溃时正在执行的操作。
  被调试的程序可能与 GDB 在同一台计算机上执行，也可能在另一台计算机（远程）上或者在模拟器上执行。GDB 支持调试多种语言：譬如：Assembly，C，Go，Rust，…

• 重新编译程序并在编译选项中加入 “-g”

$ gcc -g test.c
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• 运行 gdb 和程序

$ gdb a.out
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• 设置断点

(gdb) b 6
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• 运行程序

(gdb) r
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• 程序暂停在断点处，执行查看

(gdb) p xxx
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• 继续、单步或者恢复程序运行

(gdb) s/n/c
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1.3 QEMU模拟器

  QEMU 是一套由 (Fabrice Bellard) 编写的以 GPL 许可证分发源码的计算机系统模拟软件，在 GNU/Linux 平台上使用广泛。

• 支持多种体系架构。譬如：IA-32 (x86)，AMD 64，MIPS 32/64, RISC-V 32/64 等等。

  QEMU 有两种主要运作模式：

• User mode：直接运行应用程序。
• System mode。模拟整个计算机系统，包括中央处理器及其他周边设备。

1.4 项目构造工具Make

  make是一种自动化工程管理工具。当工程文件量很大的时候，在Linux系统中每一次编译文件都要手动输入命令。如果文件有一千个，一万个，那我们每次编译输入的指令就及其庞大，对开发效率的影响很大（当然，在这里我们可以对每个文件先编译而不连接，生成很多的*.o文件，在编译时将所有的*.o文件连接，但这样的方法远没有编写Makefile优雅）。所以，我们可以编写一个每次编译自动执行的脚本文件，这个文件满足一定的格式，这就是Makefile格式。Makefile配合make，用于描述构建工程过程中所管理的对象以及如何构造工程的过程。make找到Makefile有如下两种方式：

• 隐式查找：当前目录下自动按顺序找寻文件名为“GNUmakefile”、“makefile”、“Makefile”的文件
• 显式查找：-f，例如使用make -f Makefile来编译工程

  Makefile由一条或多条规则（rule）组成，这是make中最核心的一点。每一条规则由如下的三要素构成：

• target：目标，可以是 obj 文件，也可以是可执行文件
• prerequisites: 生成 target 所需要的依赖
• command：为了生成 target 需要执行的命令，可以有多条

  一个简单的Makefile规则如下：

target...:prerequisites...
	command...
	...
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例如，对于目标hello，其依赖于文件hello.c，我们在此基础上添加指令，可以编写如下的Makefile文件：

hello: hello.c
	gcc hello.c -o hello
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  Makefile中还有其他的元素，例如缺省规则、伪规则、行注释等。它们的格式如下：

# 缺省规则，当make的缺省规则（默认规则）不满足当前工程的需求时，可以重写缺省规则以覆盖原有的默认规则
.DEFAULT_GOAL := all
all :

# 伪规则，它的作用是有同名的文件与make clean操作冲突，产生歧义，-f为强制删除
.PHONY : clean
clean:
		rm -f *.o
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  对于一个工程，假设其含有main.c、file1.c、file2.c，则可以编写如下的Makefile文件。它的好处是当单独修改工程中的某个文件，重新编译时只会编译修改过的文件，可以大大节省编译时间。

CC = gcc
TARGET = hello
OBJ = main.o file1.o file2.o

$(TARGET) : $(OBJ)
	$(CC) -o $(TARGET) $(OBJ)

main.o: main.c
	$(CC) -c main.c

file1.o: file1.c
	$(CC) -c file1.c

file2.o: file2.c
	$(CC) -c file2.c
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  或者采用以下省略写法。注意，省略写法使Makefile文件编写更简单，但是可以说可读性极差，笔者认为应该谨慎使用，不要出错。但是采用省略的灵活写法带来的优势也是很大的，如果按如下的写法，那么在工程中每次添加新的.c文件时，仅需要在OBJ后添加对应的.o即可。

• $@：代指目标，即冒号:之前的内容
• $^：代指所有的依赖
• %.o：所有的.o文件，%.c同理
• $<：依赖中的第一个

CC = gcc
TARGET = hello
OBJ = main.o file1.o file2.o

CCFLAGS = -c -Wall

$(TARGET) : $(OBJ)
	$(CC) -o $@ $^

%.o: %.c
	$(CC) $(CCFLAGS) $< -o $@

.PHONY : clean
clean:
		rm -f *.o
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  甚至可以有更加灵活的写法，采用如下的写法，每一次添加新的.c文件后甚至都不需要更改Makefile文件了：

CC = gcc
TARGET = hello
SRC = $(wildcard *.c)
OBJ = $(patsubst %.c, %.o, $(SRC))

CCFLAGS = -c -Wall

$(TARGET) : $(OBJ)
	$(CC) -o $@ $^

%.o: %.c
	$(CC) $(CCFLAGS) $< -o $@

.PHONY : clean
clean:
		rm -f *.o
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