Sistemas Embarcados. GNU toolchain. Introdução. Mas o compilador sozinho não adianta muito... Compilador. Aula 07

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1 Sistemas Embarcados Ferramentas de desenvolvimento GNU toolchain Introdução Projetistas de software empregam várias ferramentas durante o ciclo de desenvolvimento de um software E.g.: editores, compiladores, ligadores, interpretadores, depuradores, analisadores de traços (profilers) etc Ambientes de desenvolvimento integram várias ferramentas e.g.: visual C++, eclipse,.net etc Sistemas embarcados tem a mesma característica Diferença: as ferramentas executam em uma plataforma enquanto as aplicações se destinam a outra Desenvolvimento cruzado (cross-development) Aula 07 2 Compilador Mas o compilador sozinho não adianta muito... É um programa que recebe arquivos fontes e gera objetos Nativo: o objeto é para processador da plataforma que compila Cross: o objeto é para um processador diferente daquele da plataforma que compila Linguagem intermediária é independente de plataforma O backend é que torna um compilador dependente de plataforma Pré-processador Back end É necessário ainda: Bibliotecas de funções Ligadores Carregadores Ferramentas auxiliares para manipular programas objetos e executáveis Tools chains Produtos comerciais ou soluções open-source fonte Linguagem intermediária Código assembly (dependente de arquitetura) 3 4

2 GNU toolchain GNU Compiler Collection (gcc) Conjunto de ferramentas destinado ao desenvolvimento de programas aplicativos e de sistemas GNU make GNU Compiler Collection GNU binutils GNU debbuger GNU build system (autoconf, automake, libtool e gnulib) Além disso: Necessidade de um editor Biblioteca (glibc) Conjunto de compiladores para diferentes linguagens Originalmente denominado de GNU C compiler (gcc) Oferece suporte para vários tipos de processadores Arquitetura: Pré-processador cpp fonte - Retirada comentários - Diretivas de compilação - Expansão de macros Arquivo C intermediário front end Compilador Back end Código assembly (dependente de arquitetura) 5 6 GNU make GNU Debugger (gdb) Ferramenta para automatizar a compilação de aplicações com grande quantidade de arquivos Permite determinar uma árvore de dependências Alterações em um arquivo força a compilação de todos os outros que dele dependem Desvantagem: programadores necessitam definir isso!! Baseado em um arquivo texto que define as dependências Conjunto de linhas contendo regras Permite a definição de variáveis e a inclusão de outros arquivos Depurador padrão do sistema GNU Características principais: Interface em modo textual, mas possui front-ends gráficos (ddd, Eclipse CDT, Xcode e GUDmode do emacs) Visualizar e alterar valor de variáveis Rastrear a execução de programas Oferece mecanismo de fazer depuração remota Interessante para sistemas embarcados 7 8

3 GNU Binary Utilities (binutils) GNU build system (autotools) Coleção de ferramentas de programação para manipulação de código objeto em vários formatos ferramenta as ld gprof addr2line ar c++filter dlltool nlmconv nm assembler linker profiler Descrição sumária Traduz end. Para arquivos e linhas Cria, modifica, extrai arquivos Filtros para simbolos C++ Criação de bibliotecas dinâmicas (windows) Conversor de formato Lista símbolos de arq. objetos ferramenta objcopy objdump ranlib readlf size strings strip windmc windres Descrição sumária Copia arq. objetos Informações sobre arq. objetos Gera índices para arquivos Visualiza arquivos ELF Lista seções e tamanhos de objetos Lista strings de arq. objetos Remove tabela de símbolos Mensagens de recursos windows Compila arq. recursos windows Conjunto de ferramentas para auxiliar o desenvolvimento e o porte de aplicações (entre sistemas Unix) Inclui: GNU autoconf Usado para gerar arquivos de configuração para makefiles GNU automake Auxilia a criação de arquivos makefiles portáveis GNU libtool Permite a criação de bibliotecas estáticas e dinâmicas GNU portability library (Gnulib) Coleção de rotinas projetadas para serem usadas em vários sistemas operacionais 9 10 Cross desenvolvimento Geração de uma cross-toolchain Plataforma de desenvolvimento IA32/AMD + linux Plataforma-alvo ARM Objetivo: Desenvolver aplicações em plataforma diferente da plataforma alvo (target) Motivação: Contornar restrições de memória do target Compensar ausência de dispositivos práticos para E/S Maior disponibilidade de recursos (hardware e software) Necessário gerar código para a plataforma alvo (mínimo) Compilador C que gere código para processador alvo Conjunto de ferramentas binutils para alvo Biblioteca C (uclibc*, glibc, newlib ou similar) Requisitos básicos: Possuir um compilador C funcional Código fonte das ferramentas do toolchain ( Cópia dos arquivos header para a plataforma alvo ( * A ser usada na plataforma ARM ** Necessário para gerar aplicações, porém para gerar o núcleo são necessários todos os fontes

4 Por onde começar? Geração do gcc e da glibc Dependências entre as ferramentas gcc binutils glibc Gerar um compilador gcc simples, que não precise usar a libc Compilador bootstrap Gerar a glibc com o compilador bootstrap Compilar o compilador usando a glibc Lembrete: o compilador é um programa e como tal se compila binutils é independente dos demais e necessário para estes Fácil: é o prìmeiro a ser gerado gcc e glibc (ou similar): problema do ovo e da galinha! Para compilar a biblioteca é necessário ter o compilador Para ter o compilador é necessário ter a biblioteca Certos elementos do compilador dependem da libc binutils gcc -bootstrap gcc glibc glibc uclibc Biblioteca C dentro do projeto GNU Desenvolvida para oferecer desempenho, portabilidade e atender os principais padrões Incluída em todos os sistemas GNU/Linux Licença LGPL Não tem o problema da contaminação Grande para sistemas embarcados e.g: aproximadamente 1.7 MB (libc: 1.2 MB e libm 500 KB) Versão enxuta para sistemas embarcados Desenvolvido por CodePoet Consulting Licença LGPL Alta compatibilidade com a glibc Em processador ARM é cerca de 4 vezes menor que a glibc uclibc: aprox. 400 KB (libuclibc: 300 KB, libm: 55KB) glibc: aprox 1700 KB (libc: 1.2 MB, libm: 500 KB) Usada em várias soluções comerciais de linux embarcado e.g.: MontaVista, TimeSys e Wind River

5 Para dar uma idéia. diet libc C program Compiled with shared libraries Compiled statically glibc uclibc glibc uclibc Plain hello world 4.6 K 4.4 K 475 K 25 K Biblioteca C otimizada para ter tamanho reduzido Projetado para ser usada em programas relativamente pequeno Tamanho da diet libc é aproximadamente de 70 KB Busybox 245 K 231 K 843 K 311 K newlib Métodos para gerar cross-toolchain Biblioteca C mínima Destinada a sistemas embarcados bastante pequenos Suporte para uma variada gama de processadores Possui funções de ponto flutuante de precisão simples Melhor desempenho que a do padrão IEEE Versão simplificada de funções como printf Dois métodos para gerar Faça você mesmo Geração através de ferramentas automáticas Outras formas: Obter uma toolchain já pronta (googleg e paciência!) Aquisição de uma plataforma de desenvolvimento 19 20

6 Faça você mesmo Tarefa trabalhosa e árdua Pode levar muitas horas (dias) Muito detalhes de configuração e geração de vários componentes Há vários relatos e how-tos na web Requisitos fundamentais: Preciso ter os arquivos headers do kernel (arquivos.h) Ser familiar com funcionamento do gcc, de patches, makefiles, comandos Unix e comandos (ld, ar, readelf etc) Fontes necessários estão em Para ter uma idéia da dificuldade Versões gcc / glibc / binutils / kernel Crosstool reports: Auxilia a encontrar uma combinação adequada d entre as versões de gcc, glibc, binutils e headers do kernel para gerar uma toolchains com sucesso! Obter uma versão pré-compilada Algumas referências... Possível encontrar em vários locais Basta saber onde e se são adaptadas ao seu caso Atenção: Várias toolchains são geradas para funcionar em paths fixos Necessário instalar onde elas esperam estar (/usr/local/<arch>) Verificar o modelo específico do processador, big/little endian, versões da biblioteca C e do compilador ARM Disponível para GNU/Linux, EABI e uclinux Também disponível para ambientes windows MIPS (vários links úteis) Coldfire Disponível para ELF, GNU/Linux and uclinux PowerPC Disponível para GNU/Linux e EABI 23 24

7 Geração automática de toolchain Leituras complementares Buildroot Scripts (makefiles) para gerar uma toolchain baseada em uclibc Baixa os fontes e patches necessários Permite também definir um root file system Crosstol Scripts (makefiles) para gerar uma toolchain baseada em glibc Baixa os fontes e patches necessários P. Ragavahn, A. Lad, S. Neelakandan. Embedded Linux System Design and Developement. Auerbach, C. Hallinan. Embedded Linux Primer: A Practical Real-World Approach. Prentice Hall, K. Yaghmour. Building Embedded Linux Systems. Oreilly,