【說在前面的話】

• 既然已經(jīng)用了MDK，編譯出來的代碼，無論是體積還是性能都甩下arm gcc好幾條街，誰還會想用gcc來進(jìn)行Cortex-M開發(fā)呢？

• 對那些只能使用arm gcc、或者對gcc情有獨(dú)鐘的小伙伴來說，無論是配合eclipse、vscode、Embedded Studio還是其它什么開發(fā)環(huán)境，哪個不比MDK香呢？

然而，既然你點(diǎn)開了這篇文章，無論是否真的有這樣的需求，至少說明你對這樣的搭配還是“頗有些好奇”的。我就不去擔(dān)心背后的真正原因了，就讓我們速速切入正題，進(jìn)入實(shí)操環(huán)節(jié)吧。

• MDK原生支持GCC開發(fā)，且不受License限制

• MDK使用GCC開發(fā)時“可以做到”不寫一句匯編的程度

• MDK使用GCC開發(fā)時可以享受來自Runtime Environment配置機(jī)制的福利——也就是你可以輕松的享用來自Pack Installer所引入的各類軟件包的支持——這同樣也是免費(fèi)的

• MDK使用GCC開發(fā)時支持調(diào)試（所能調(diào)試的代碼尺寸受到License限制）
  

我們知道MDK是一個集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment），它默認(rèn)原生支持Arm Compiler 5（armcc）、Arm Compiler 6（armclang）和 arm gcc。雖然這三個編譯器都是由Arm所維護(hù)和提供的，但前兩者算是彼此兼容的編譯器：

• 使用共同的 armlink

• 使用相同的方式來描述地址空間布局（分散加載腳本 scatter script）

• 從Arm Compiler 6.14開始，armclang甚至開始支持armasm的匯編語法了

實(shí)際上可以認(rèn)為，armcc和armclang是一對連體兄弟，身子是armlink，而兩個腦袋分別是 armcc 和 armclang。大約是這種感覺，你體會下。

與親生的兩兄弟不同，牛頭人arm gcc是Arm公司從GCC開源社區(qū)“抱回來的孩子”。它雖然語法上與armclang（clang）基本相同，但卻擁有自己獨(dú)立的編譯和連接環(huán)節(jié)，用來描述地址空間布局的方式也完全不同——采用 linker script（*.ld）來進(jìn)行。

1. 編譯器的獲取和集成

2. 如何芯片的啟動

3. 如何描述目標(biāo)軟件的地址空間布局

4. 如何對編譯選項(xiàng)進(jìn)行配置

5. 如何進(jìn)行代碼的優(yōu)化

arm gcc 獲取并不困難，可以訪問arm的官方頁面直接下載：

下載后一路無腦安裝即可，這里就不再贅述。接下來，我們打開MDK，通過菜單 project->New uVision Project... 新建一個工程：

如果一切順利，你會看到如下的界面：

在新打開的對話框中選擇 'Folders/Extensions' 選項(xiàng)卡，并勾選“Use GCC Compiler (GNU)for ARM projects”（如下圖所示）：

單擊 “...” 按鈕，選擇arm gcc工具鏈所在的安裝目錄。以最新的的arm gcc 2020-q4-major 版本為例，默認(rèn)情況下它會被安裝在 

“C:\Program Files (x86)\GNU Arm Embedded Toolchain”

目錄下。我們選中這里的 '10 2020-q4-major' 目錄，單擊 Select Folder 按鈕。

在回到上一級窗口時，我們注意到，此時arm gcc的路徑已經(jīng)被正確配置了：

單擊“OK”就完成了 arm gcc 的添加工作。此時，如果打開 Project -> Options for Target 窗口，我們會看到編譯器配置界面變成了一個陌生的樣子：

【實(shí)現(xiàn)“無匯編化”的啟動】

很多人可能都有錯覺——以為使用gcc開發(fā)項(xiàng)目一定要用匯編的方式來處理啟動文件——過去也許是這樣，但是，“大人時代變了”！。

 

單擊CMSIS-CORE后面的注釋文字：

會打開一個瀏覽器頁面，忽略其中的內(nèi)容，我們需要的是頁面網(wǎng)址中的路徑信息：

這里，我們找到了當(dāng)前CMSIS Pack在本地的路徑，利用這一路徑信息在瀏覽器中打開對應(yīng)文件夾，找到 Device目錄：

在MDK工程中，將startup_ARMCM7.c和system_ARMCM7.c加入到工程中參與編譯（這里我們新建了一個分組叫做 low_level）：

先別著急去編譯，注意到這里的小鑰匙圖標(biāo)了么？這說明這兩個文件自帶了“只讀屬性”。由于我們后面要修改這兩個文件，因此必須要通過Windows的文件屬性管理將只讀屬性去除（把下圖的勾選去掉后單擊OK）：

此時再看MDK的工程管理器，小鑰匙標(biāo)志就已經(jīng)消失了：

接下來，打開 “Option for Target...” 窗體，進(jìn)入Linker選項(xiàng)卡：

將這里的 'Do not use Standard System Startup Files' 選項(xiàng)去除。

注意，這一步驟非常重要，不可以省略，否則你會看到如下的編譯錯誤：

正如錯誤提示中指出的那樣，CMSIS會在一個叫做 __cmsis_start的函數(shù)中，調(diào)用 '_start' 函數(shù)，而這一函數(shù)正是gcc標(biāo)準(zhǔn)啟動文件的入口，當(dāng)你在MDK中選擇'Do not use Standard System Startup Files' 時，linker自然就找不到這個“不存在”的入口函數(shù)啦。

接下來，單擊如下圖所示的按鈕：

打開我們剛剛一起拷貝過來的GCC目錄，選中其中的連接腳本 gcc_arm.ld后，單擊Open：

最后的結(jié)果如下圖所示，單擊OK確認(rèn)我們的配置：

雖然不是必須，但推薦在Misc controls中添加如下的內(nèi)容：

--specs=nosys.specs -Wl,--gc-sections-fshort-enums -fshort-wchar

即：

接下來，為了初步檢驗(yàn)一下我們的成果，在工程中添加一個main.c（實(shí)現(xiàn)一個簡單的main() 函數(shù)）：

懷著忐忑的心理，按下編譯按鈕：

不用懷疑，我們已經(jīng)成功的實(shí)現(xiàn)了“零匯編”gcc工程建立。簡單不？你可以把這個工程連同文件夾一起保存好，這就是未來的工程模板了。此外，關(guān)于main.c中的代碼，需要做一些簡單的說明：

• GCC要求main函數(shù)的返回值是 int 類型，而這里的返回值會被作為 exit() 函數(shù)的傳入?yún)?shù)——一般負(fù)數(shù)表示出錯，0表示平安。

• 如果不實(shí)現(xiàn)一個 exit() 函數(shù)，鏈接器會報錯。

• __attribute__((noreturn)) 就是字面意思，告訴編譯器這個這個函數(shù)是有去無回的。

• 為了使用類似 __NOP() 這樣的“固有函數(shù)（intrinsics）”，我們需要直接或者間接的包含頭文件  'cmsis_compiler.h'
  

此外，如果我們不做任何的設(shè)置，MDK會將所有生成的中間文件（比如 .o、.d之類）直接保存到工程文件夾下，產(chǎn)生“垃圾遍布”的感覺：

完成基礎(chǔ)模板的制作后，接下來我們來一一介紹一些模板在使用過程中所需要處理的細(xì)節(jié)問題：

【簡單的地址空間布局、Stack和Heap的配置】

在去掉 GCC/gcc_arm.ld 文件的只讀屬性后，我們就可以借助它根據(jù)目標(biāo)芯片的實(shí)際情況描述地址空間布局，打開gcc_arm.ld，可以看到如下的內(nèi)容：

如果你的目標(biāo)芯片較為簡單，比如，F(xiàn)LASH是一片完整的地址區(qū)間，則可以通過修改__ROM_BASE的方式來設(shè)置目標(biāo)鏡像中FLASH的起始地址，通過修改修改__ROM_SIZE來設(shè)置FLASH的實(shí)際大小，比如，起始地址為0x0800-0000，大小為256K的Flash對應(yīng)的修改方式為：

/*---------------------- Flash Configuration ----------------------------------  <h> Flash Configuration    <o0> Flash Base Address <0x0-0xFFFFFFFF:8>    <o1> Flash Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>  </h>  -----------------------------------------------------------------------------*/__ROM_BASE = 0x08000000;__ROM_SIZE = 0x00040000;

同理，SRAM的起始地址和大小可以通過__RAM_BASE和__RAM_SIZE來設(shè)置，這里就不再贅述：

最后，關(guān)于Stack和Heap大小的設(shè)置可以借助__STACK_SIZE和__HEAP_SIZE來設(shè)置：

/*--------------------- Stack / Heap Configuration ----------------------------  <h> Stack / Heap Configuration    <o0> Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>    <o1> Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>  </h>  -----------------------------------------------------------------------------*/__STACK_SIZE = 0x00000800;   /* 2K Byte */__HEAP_SIZE  = 0x00000200;   /* 256 Byte */

【如何配置中斷向量表】

可以看到，這一向量表完全采用的是C語言函數(shù)指針數(shù)組初始化的形式定義的。它不僅提供了默認(rèn)的各類系統(tǒng)異常的定義，還以Interruptn_Handler的形式為我們提供了定義的范例。

這里，WWDG_IRQn到SPDIF_RX_IRQn之間的每一項(xiàng)都對應(yīng)一個外設(shè)中斷，可以將它們拷貝出來，添加到我們的startup_ARMCM7.c的向量表中，并依樣畫葫蘆，修改成對應(yīng)的形式：

.../*----------------------------------------------------------------------------  Exception / Interrupt Handler *----------------------------------------------------------------------------*//* Exceptions */void NMI_Handler            (void) __attribute__ ((weak, alias('Default_Handler')));void HardFault_Handler      (void) __attribute__ ((weak));void MemManage_Handler      (void) __attribute__ ((weak, alias('Default_Handler')));void BusFault_Handler       (void) __attribute__ ((weak, alias('Default_Handler')));void UsageFault_Handler     (void) __attribute__ ((weak, alias('Default_Handler')));void SVC_Handler            (void) __attribute__ ((weak, alias('Default_Handler')));void DebugMon_Handler       (void) __attribute__ ((weak, alias('Default_Handler')));void PendSV_Handler         (void) __attribute__ ((weak, alias('Default_Handler')));void SysTick_Handler        (void) __attribute__ ((weak, alias('Default_Handler')));/*void Interrupt0_Handler     (void) __attribute__ ((weak, alias('Default_Handler')));...void Interrupt9_Handler     (void) __attribute__ ((weak, alias('Default_Handler')));*/void WWDG_IRQn_Handler      (void) __attribute__ ((weak, alias('Default_Handler')));...void SPDIF_RX_IRQn_Handler  (void) __attribute__ ((weak, alias('Default_Handler')));
...
extern const VECTOR_TABLE_Type __VECTOR_TABLE[240];       const VECTOR_TABLE_Type __VECTOR_TABLE[240] __VECTOR_TABLE_ATTRIBUTE = {  (VECTOR_TABLE_Type)(&__INITIAL_SP),       /*     Initial Stack Pointer */  Reset_Handler,                            /*     Reset Handler */  NMI_Handler,                              /* -14 NMI Handler */  HardFault_Handler,                        /* -13 Hard Fault Handler */  MemManage_Handler,                        /* -12 MPU Fault Handler */  BusFault_Handler,                         /* -11 Bus Fault Handler */  UsageFault_Handler,                       /* -10 Usage Fault Handler */  0,                                        /*     Reserved */  0,                                        /*     Reserved */  0,                                        /*     Reserved */  0,                                        /*     Reserved */  SVC_Handler,                              /*  -5 SVC Handler */  DebugMon_Handler,                         /*  -4 Debug Monitor Handler */  0,                                        /*     Reserved */  PendSV_Handler,                           /*  -2 PendSV Handler */  SysTick_Handler,                          /*  -1 SysTick Handler */
  /* Interrupts */  [WWDG_IRQn+16]= WWDG_IRQn_Handler,        /*   0 WWDG_IRQn */  ...  [SPDIF_RX_IRQn+16]= SPDIF_RX_IRQn_Handler,/*   97 SPDIF_RX_IRQn */
};

接下來，我們需要更新 startup_ARMCM7.c 和 system_ARMCM7.c中的頭文件，同樣以STM32F746為例，將原本的ARMCM7相關(guān)的包含注釋掉，加入#include 'stm32f746xx.h'：

有時候，客戶芯片的頭文件會缺少一些必要的定義，比如函數(shù)指針VECTOR_TABLE_Type，則直接在這兩個.c文件中補(bǔ)充即可：

  /**  \brief Exception / Interrupt Handler Function Prototype*/typedef void(*VECTOR_TABLE_Type)(void);

對于STM32芯片的用戶來說，其實(shí)官方的CMSIS Pack已經(jīng)為arm gcc提供了對應(yīng)的啟動文件，我們可以在RTE中將其打開：

隨后在工程管理器中就可以在Device選項(xiàng)卡下看到它們：

遺憾的是，這里的啟動文件使用的是匯編，如果你不喜歡它們，則仍然可以使用本文介紹的方法。

值得注意的是：有時候，某些芯片會提供面向Arm Compiler 5或者Arm Compiler 6的system_xxxx.c，其實(shí)我們完全可以拷貝出來直接替換掉這里的 system_ARMCM7.c。在STM32F746的例子中，我們看中了廠家提供的system_stm32f7xx.c——因?yàn)槠渲邪吮匾男酒跏蓟a（時鐘、外設(shè)等等），因此，我們將其單獨(dú)拷貝到工程目錄下：

加入工程管理器中參與編譯，并將原本的system_ARMCM7.c從編譯中剔除：

最終呈現(xiàn)的效果如下：

在我們著急開始編譯以驗(yàn)證效果之前，這里有一個細(xì)節(jié)需要分情況討論：

• 目標(biāo)芯片原本就與針對MDK的 CMSIS-Pack支持

  對于這種情況，我們需要在“Options for Target”的Device選項(xiàng)卡中選擇對應(yīng)芯片，這樣MDK會自動將目標(biāo)芯片頭文件的路徑加入編譯器的頭文件搜索列表中。

  

• 目標(biāo)芯片沒有針對MDK的CMSIS-Pack，而只提供了目標(biāo)芯片的頭文件（包含了寄存器定義等等）

  此時，我們需要將目標(biāo)芯片的頭文件拷貝到工程目錄下，并收工將對應(yīng)路徑添加到編譯器的頭文件搜索列表中。這里因?yàn)槲覀兗僭O(shè)你直接將頭文件保存在了工程目錄下，因此這里的搜索路徑就是'工程所在當(dāng)前目錄'——直接用'.'就可以了：

  

完成了上述步驟，基本上就完成了對新的目標(biāo)芯片的最基礎(chǔ)支持。

【如何設(shè)置開啟編譯優(yōu)化】

MDK在“Option for Target”的'CC'選項(xiàng)卡中提供了簡化的優(yōu)化選項(xiàng)支持：

看似滿足要求，其實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠——哪怕你選擇了'Level 2 (Size)'優(yōu)化，可能最終代碼的尺寸依然大的嚇人。要解決這一問題，需要在 'Misc Controlls' 文本框中追加以下的編譯選項(xiàng)：

由于linker進(jìn)行尺寸優(yōu)化的基本單位是section，而section是變量和代碼的容器。默認(rèn)情況下，每個c源文件中所有函數(shù)生成的代碼都會放在一個叫做“.text”的容器中；而所有靜態(tài)分配的變量也會被類似的放在名為.data或者.bss的section中——這樣的缺點(diǎn)是，整個section中只有一個函數(shù)或者變量被用到了，整個section中的內(nèi)容都會被判定為是需要保留的。更糟糕的是，這種判定是具有“傳染”性的，這意味著哪怕某一個section中存在沒用到函數(shù)，只要該section被判定為要保留，則這些沒有用到的函數(shù)所調(diào)用的函數(shù)，其所在section也會被傳染。

此外，還有一些更高階的優(yōu)化選項(xiàng)并未提供在Optimisation列表中，例如，最高的性能優(yōu)化'-Ofast'，以及更聰明的鏈接優(yōu)化“Link Time Optimisation”，詳細(xì)的使用效果請參考gcc的官方文檔，這里就不再贅述。要想使用它們：

1. 可以將 Optimisation列表設(shè)置為<Default>；

2. 在Misc Controls文本框中添加對應(yīng)的選項(xiàng)'-Ofast'已開啟最高性能優(yōu)化；

3. 在Misc Controls文本框中添加對應(yīng)的選項(xiàng)'-flto'已開啟Link Time Optimisation；

注意，對應(yīng)的編譯選項(xiàng)也要在 'Linker'的Misc Controls中添加：

【如何在編譯成功后打印尺寸信息】

MDK使用GCC進(jìn)行編譯時，默認(rèn)情況下就沒有這么方便了。為了達(dá)到同樣的效果，我們可以在'Options for Target'的“User” 選項(xiàng)卡中增加 After Build/Rebuild命令行：

arm-none-eabi-size.exe ./Objects/gcc_template.elf

注意，如果你修改了輸出文件的名稱，千萬要記得同步更新這里的命令行呀！

最終實(shí)現(xiàn)了類似的效果：

【如何優(yōu)雅的測量系統(tǒng)的性能】

• 為裸機(jī)或者RTOS提供Cycle級別的性能測量；

• 評估代碼片段的CPU占用；

• 算法精細(xì)優(yōu)化時用于測量和觀察優(yōu)化的效果；

• 測量中斷的響應(yīng)時間；

• 測量中斷的發(fā)生間隔（查找最短時間間隔）；

• 評估GUI的幀率或者刷新率；

• 與SystemCoreClock計(jì)算后，獲得一個系統(tǒng)時間戳（Timestamp）；

• 當(dāng)做Realtime Clock的基準(zhǔn)；

• 作為隨機(jī)數(shù)種子

• ……

具體步驟如下：

1、通過下面連接獲取最新版本的 perf_counter

https://github.com/GorgonMeducer/perf_counter/releases/tag/v1.5.0

2、解壓縮后拷貝到gcc工程所在目錄下，改名為perf_counter

3、添加perf_counter.h所在路徑到編譯器頭文件搜索路徑中：

4、修改startup_ARMCM7.c文件，將原本的：

修改為

void SysTick_Handler(void) __attribute__ ((weak));

注意，千萬不要在startup_ARMCM7.c中為 SysTick_Handler提供默認(rèn)的weak實(shí)現(xiàn)函數(shù)！切記，切記！

5、更新'Options for Target'的'Linker'配置，在Misc Controls文本框中追加：

6、在要用到 perf_counter 服務(wù)的地方添加對頭文件的包含：

#include 'perf_counter.h'...

7、編譯工程，如果報告如下的錯誤：

則說明我們的工程中并沒有實(shí)現(xiàn)SysTick_Handler，此時，應(yīng)該在任意c文件中增加一個SysTick_Handler，并在 main() 函數(shù)中對 perf_counter.c進(jìn)行初始化：

#include 'perf_counter.h'
void SysTick_Handler(void){    }
int main(void){    init_cycle_counter(false);        while(1) {    }        return 0;}

編譯后一切正常：

【說在后面的話】

• 編譯不受License限制

• 可以進(jìn)行調(diào)試（需要License）

• 可以借助RTE實(shí)現(xiàn)各類CMSIS Pack的快速部署（比如很多操作系統(tǒng)：cmsis-rtos2等等）

• 不必編寫makefile

• 很多大廠芯片（比如STM32）其實(shí)都在CMSIS-Pack的軟件包里提供了arm gcc的支持（提供了arm gcc下的啟動文件和 *.ld 文件），直接通過RTE就可以加入對應(yīng)的文件