摘要：GCC全称GNU Compiler Collection，是一套由 GNU 开发的编程语言编译器。它是一套以 GPL 及 LGPL 许可证所发行的自由软件。我们使用IoT Studio编译程序时，最终被调用的编译器也是GCC的一个分支，arm-none-eabi-工具链，注意这里所说的“链”，指一系列工具，编译器、汇编器、链接器等工具，被组装到了一起，形成了一个链子。本篇主要讲解他们的用法。

一个C文件到hex/bin文件的过程

其实我们常说的“编译”一个程序，其中“编译“步骤包括了预处理、编译、汇编、链接等步骤，不过常见的IDE(Keil，IAR等)或者Makfile，为了方便用户的使用，将这些步骤封装起来了，我们只需点击“build”或者输入“make”，即可拿到烧录文件hex/bin，为了能提高大家在实际开发中的排错能力，我今天必须将这些知识都拿出来说一说。

下面我就按照顺序“预处理à编译à汇编à链接à将elf文件转换为hex/bin文件”在Ubuntu系统下逐步向大家演示并讲解，我用gcc工具链替代arm-none-eabi-gcc工具链，因为ubuntu默认带有gcc工具链，如果你有兴趣可以跟着我做一做下面的实验从而加深理解和记忆。

       首先创建两个文件：hello.c和hello.h。

预处理

     预处理的作用就是将注释替换为空格和处理宏定义，你看到的#include，#ifndef，#define，#endif都是宏定义的标识符，这一步是将宏定义替换为编译器可以识别的符号，我们可以使用如下命令，让GCC工具链只进行预处理操作，将预后的数据生成到hello.E文件中：

       gcc -E -o hello.E hello.c

       我们现在可以来查看一下hello.E文件中的内容，我这里只截取最后15行的内容，因为前面的内容是#include <stdio.h>语句引入的内容，我们暂时不关心。

       请注意第726行到732行，这是hello.h文件中的内容，被预处理器拷贝到了hello.c文件中，str的定义就有了。

编译

       编译是将预处理过的c语言文件编译为汇编语言的文件，等待汇编时转换为机器码，我使用如下指令来进行只编译不汇编不链接将汇编内容生成到hello.S文件中。

       gcc -S -o hello.S hello.c

       我们来查看一些hello.S文件中的内容：

汇编

       将汇编代码汇编为二进制代码，这里的二进制代码并不能执行，因为还没有链接，没有运行时地址等等信息，所以无法运行，但是可以用于反汇编分析错误和问题。

       我是用如下指令，让编译器只预处理、编译、汇编，不链接，将内容生成到hello.o文件中。

       gcc -c -o hello.o hello.c

       我们来看看文件中有些什么，注意：这里如果直接使用普通编辑器打开会出现乱码情况，如下图：

       我这里有vim编辑器打开，首先使用vim -b hello.o以二进制形式打开该文件，在切换到“命令行模式”（按ESC并输入:），然后输入     %!xxd -g 1 切换为16进制，最终可以看到如下显示：

       这是二进制数据和汇编指令一一对应（伪指令除外），最早的程序员就是直接编写这些二进制数据（纸上打孔），但是数字类的东西不便于人类处理，所以就有了“助记符”(汇编)来进行编程。

       这里在引入一个小知识：如果你不知道当前文件是什么类型的文件，可以使用file指令查看：

       我这里分别查看了.c C语言源文件，.S汇编语言文件，.o二进制待链接文件，hello可执行文件。

链接

       每个.c文件都会通过编译生成一个.o文件，最终的可执行文件由ld链接器根据链接脚本（没有指定链接脚本采用默认链接脚本）将多个.o文件和库文件(.so)链接并生成可执行文件。

       使用如下指令即可完成链接操作，并将可执行文件名生成为hello。

       gcc -o hello hello.o

       这时，执行./hello，即可输出如下信息：

       这里再说一个知识点：这样的链接叫做“动态链接”。

       什么是动态链接？比如我们使用了printf函数，如果采用动态链接，printf函数的实现并未放到可执行文件中，而是等待执行hello可执行文件时(./hello)，通过加载器去寻找printf所在的动态库并调用，从而输出。这样做的好处是可执行文件占用空间少，坏处是不便于移植，如果移植到没有支持printf函数动态库的机器上就无法运行了，所以单片机的程序都是采用静态链接。

将elf文件转换为hex/bin文件

       这里可以参考我的另外一篇帖子：https://bbs.huaweicloud.com/forum/thread-58379-1-1.html

总结：

       gcc的参数：

              -o 指定生成文件名

              -E 只预处理，不编译，不汇编，不链接  文件名一般以.E结尾

              -S 只编译，不汇编，不链接     文件名一般以.S结尾

              -c 只编译（汇编），不链接       文件名一般以.o结尾

       gcc工具链中的常用组件：

              size：显示可执行文件或者二进制文件中各个段的大小，如下图：

              ar：用于处理库相关的指令，比如刚才提到的动态库，或者我们为了让程序保密，可以将自己写好的某个模块的代码制作库，只给别人一个头文件，库中都是二进制，无法看到源码，如果大家对制作库感兴趣，可以给我留言，改天专门说一说。

              nm：列出一个二进制文件（可执行文件和库文件）中有哪些符号（函数和全局变量），实例如下图：

              as：该指令可以将汇编语言文件编译为二进制文件，其实就是gcc -c -o hello.o hello.S指令调用的工具示例如下图：

              ld：链接器，就是将hello.o和动态库链接到一起的工具。

              objdump：用于反汇编二进制文件为汇编代码的工具，使用示例如下图：

       -D参数：反汇编所有段

       >符号：因为objdump是直接打印输出信息，所以我们要把输出信息通过>重定向到hello.dis文件中方便查看。

       我这里只截图main函数反汇编的代码块给大家看看：

objdump工具在实际开发中作用挺大的，大家可以学习下，后面我还给出了一个利用objdump工具排错的案例。

objcopy：该指令一般用于单片机的程序开发，当我们编译好了生成了一个elf文件，但是要求文件格式为hex或者bin才能进行烧录，我们这时就可以采用该指令进行转换，详细操作请参考：https://bbs.huaweicloud.com/forum/thread-58379-1-1.html

编译器优化导致错误的排错思路

当程序出现错误时，我们怀疑是编译器的优化导致的错误，我们就可以去反汇编汇编后未链接的文件来看看。使用objdump，这里顺便说个小知识：为什么二进制文件永远无法还原为和原来的.c文件一模一样？就是因为编译器的优化导致的。

什么是编译器的优化呢？比如我们执行如下语句，用于延时：

       while(time)

              ;

特别聪明的编译器，就会认为这个语句没有用，自作主张地把这个语句删除了，导致我们的延时失效，如何解决呢？用volatile关键词修饰time，编译器就不敢帮我们优化这个语句了。

再来举一个例子，比如我们定义一个指针，将GPIO的状态寄存器的地址赋值给该指针，我们去解析该指针指向地址处的内容时，就可以获取GPIO的状态，假设0为低电平、1为高电平，假设GPIO状态寄存器的地址为0x4000_0000，下面我用伪代码给大家展示：

       LED_statr = *((char *)0x40000000)

while(1)

       {

       if (LED_state)

              printf(“LED ON\r\n”);

       else

              printf(“LED OFF\r\n”);

}

       编译时，如果编译器特别聪明，发现我们从0x4000_0000地址处读取数据特别慢，它就会把第一次读到的值写到一个局部变量中，获取LED_state时并不会从0x4000_0000地址去读，而是直接读取局部变量，所以无论LED的状态是什么LED_state永远是第一次获取到的值，这时我们可以用volatile去修饰，防止此类情况产生。