ARM GCC
ARM-GCC bezeichnet die für ARM-Mikrocontroller konfigurierte Variante des C- und C++- Crosscompilers GCC.
In diesem Artikel geht es primär um den arm-none-eabi-gcc, der ein für embedded Systems optimiertes ABI (Application Binary Interface) hat. Für ARM-System, die ein eigenständiges OS (wie Linux) haben, gibt es den arm-elf-gcc.
Es gibt diverse fertige Binärdistributionen die für verschiedene Controller mit ARM-Kern verwendet werden können.
Bestandteile
Die Toolchain besteht aus mehreren Kommandozeilen-Programmen, die sich auf einfache Weise in einen Editor oder eine Entwicklungsumgebung einbinden lassen. Weit verbreitet ist die Verwendung von make zur Steuerung.
Die Bestandteile im einzelnen:
- Binutils: Assembler, Linker und weitere Hilfsprogramme.
- GCC: Der eigentliche C(++)-Compiler.
- eine C-Standardbibliothek
Die vorherrschende C-Bibliothek ist die newlib (oder auch newlib-nano), für andere Optionen siehe hier.
Bei der Auswahl der Toolchain sollte beachtet werden, dass es größere Unterschiede bei den bereitgestellten C-Bibliotheken gibt. Die Sourcery Codebench Lite-Edition stellt z.B. keine Bibliotheken mit FPU-Unterstützung bereit, so dass trotz vorhandener FPU beim Cortex-M4 nur suboptimaler Code erzegt werden kann. Siehe [1] für ein kleines Beispiel und eine Erklärung.
Fertige GCC Binärdistributionen
- GCC-ARM-Embedded (Ältere Releases) für Cortex-R4/R5/R7/R8/M0(+)/M3/M4(F)/M7/M23/M33. Windows, Linux, Mac, bereitgestellt von ARM selbst, vollständiger Support für FPUs, C++17, kein Code-Size-Limit
- Windows Windows 64bit Binaries vom GCC-ARM-Embedded und Anleitung zum Selbstkompilieren; nützlich für extrem speicherhungrige Kompilationen (z.B. bei templates)
- Mentor Graphics Sourcery Tools (vormals CodeSourcery CodeBench Lite) Windows, Linux
- devkitPro
- LPCXpresso (vormals CodeRed IDE) ist eine IDE von NXP für die LPC-Mikrocontroller die den GCC enthält
- Yagarto (Windows, mit Eclipse-Integration) - veraltet
- WinARM - veraltet
- GNUARM - veraltet
- summon-arm Toolchain: hat einen Compiler-Bug [2] und sollte daher nicht verwendet werden, wenn man floatingpoint-Typen einsetzen möchte (egal ob mit oder ohne FPU).
Beim Einsatz des gcc in Verbindung mit in C geschriebenem startup-Code bei den Optimierungsleveln "-O2" und "-O3" muss zusätzlich "-fno-gcse" gesetzt werden, da ansonsten die von der CPU benötigte NVIC-Tabelle(n) und zugehörige Funktionen unter Umständen nicht so aussehen wie sie sollten.
Siehe auch ARM-GCC development resources im Forum.
Nutzung mit eigener Umgebung/Kommandozeile
Hier einige Hinweise wie man den GCC direkt verwenden kann (zB. mit selbstgebautem makefile), falls man das nicht von einer Entwicklungsumgebung machen lässt.
Compiler & Linker Flags
Die Flags, die festlegen, welcher Core verwendet wird, sind in der folgenden Tabelle beschrieben:
| Option | Cortex-M0 | Cortex-M0+ | Cortex-M3 | Cortex-M4 | Cortex-M7 | Cortex-M33 | Cortex-M23 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CPU | -mcpu=cortex-m0[1] | -mcpu=cortex-m0plus[1] | -mcpu=cortex-m3 | -mcpu=cortex-m4 | -mcpu=cortex-m7 | -mcpu=cortex-m33 | -mcpu=cortex-m23 |
| Float ABI | -mfloat-abi=soft | -mfloat-abi=soft
-mfloat-abi=softfp -mfloat-abi=hard |
-mfloat-abi=soft | ||||
| FPU | -mfpu=fpv4-sp-d16 | -mfpu=fpv5-d16 | -mfpu=fpv5-sp-d16 / -mfpu=fpv5-d16 | ||||
| Instruction Set | -mthumb | ||||||
[1]Anmerkung: Es gibt für diese Cores 2 Optionen (für den Hersteller): diese Betreffen die Multiplikationsbefehle.
- Die übliche Implementierung enthält einen 1-Takt-Multiplizierer
- Für reduzierte Chipfläche kann auche ein 32-Takt-Multiplizierer ausgewählt werden
Um nun bei Multiplikationen mit Konstanten nicht die langsame 32-Takt-Multiplikation zu nutzen kann der Compiler angewiesen werden, dort Shifts oder Ähnliches zu generieren. Um dem Compiler das mitzuteilen wird der Parameter, der die CPU angibt, abgeändert: -mcpu=cortex-m0[plus].small-multiply
Zusätzlich zu diesen Flags gibt es noch die Maschinenunabhängigen Parameter, wovon hier nur einige wichtigen erläutert werden:
| Option | Erklärung |
|---|---|
| -W[all, extra] | Lässt den Compiler Warnungen ausgeben.
-Wall gibt nur Standard-Warnungen aus, nicht alle! -Wextra erzeugt noch einmal mehr Warnungen. |
| -O[0,1,2,3,s,g] | Wählt die Art der Optimierung.
-O0: keine Optimierung -O[1,2,3]: Optimierung auf Ausführungsgeschwindigkeit. Je höher die Stufe, desto aggressiver ist die Optimierung. Das führt unter Umständen zu beträchtlich größerem Code -Os: Optimierung auf Codegröße -Og: Optimierung, aber so, dass das Debugging nicht erschwert wird |
| -fdata-sections
-ffunction-sections |
Teilt jeder Funktion/jeder Variable eine eigene Section zu.Damit kann der Linker mit der Option --gc-sections ungenutzte Funktionen entfernen. Siehe GCC:_unbenutzte_Funktionen_entfernen |
| -Wl,--gc-sections | Der Linker verwirft unreferenzierte Sections und packt diese damit nicht ins Binary. Siehe GCC:_unbenutzte_Funktionen_entfernen |
| -g | Erzeugt Debugging-Informationen.
Siehe auch GCC Debugging Options |
| -fno-rtti
-fno-exceptions |
C++-Optionen
Teilt dem Compiler mit, dass - keine Runtime Type Information zu generieren sind - keine Exceptions benutzt werden und damit kein Overhead generiert werden muss. |
| -flto | Link-Time-Optimizations:
Der Linker optimiert den kompletten Code. Da er nicht nur ein Source-File, sondern alle kennt, kann er optimieren, wo dem Compiler Informationen fehlen. Achtung: bei älteren Compiler-Versionen muss nach diesem Flag noch einmal die Optimierungsstufe angegeben werden. |
Die GCC Dokumentation listet alle Parameter auf, auch Parameter speziell für ARM.
- Siehe auch das Readme vom GCC-ARM-Embedded
- Um das -flto -Flag verwenden zu können, muss der GCC LTO unterstützen. Beim GCC-ARM-Embedded ist dies ab Version 4.7-2013-q2-update der Fall.
- Die LTO erkennt die ISR's und den Interrupt Vector möglicherweise als "unbenutzt" und optimiert sie daher weg. Dies kann durch Markierung der Funktionen & Variablen mit "__attribute__ ((used))" verhindert werden.
- Alle Compileroptionen müssen auch beim Linken mit angegeben werden (ist in obiger Tabelle berücksichtigt), da auch dann u.U. Code generiert werden kann.
Startupcode & Linkerscript
- Damit der compilierte Code an den richtigen Stellen im Controller landet (d.h. dem Flash) muss man dem Linker ein Linkerscript mitgeben. Dies geht per "-T pfad_zum_linkerscript.ld" an den Linker-Befehl. Das Script ist praktisch Controller-spezifisch, es gibt Beispiel-Scripte der Controller-Hersteller.
- Damit beim Starten die richtigen Initialisierungen vorgenommen werden (wie globale Variablen und bei C++ Konstruktoren globaler Objekt-Instanzen) muss als erstes ein Startupcode laufen, der dann die main()-Funktion aufruft. Startupcode im allgemeinen ist meistens in Assembler geschrieben, aber die ARM-Architektur macht aber auch einfacheren C/C++-Code möglich. Auch für den Startupcode gibt es Beispiele der Controller-Hersteller.
Zusammen bieten die beiden Dateien der Anwendung ein Standard-C-Interface, d.h. man kann wie gewohnt globale Variablen verwenden und seinen Code in die main()-Funktion schreiben.
FPU der Cortex-M4F nutzen
Um die FPU zu nutzen, muss der Compiler per Flag dazu gebracht werden, FPU-Instruktionen zu generieren.
Außerdem muss vor Benutzung der FPU-Befehle die FPU aktiviert werden, dies geschieht typischerweise im Startupcode, bevor die main() -Funktion aufgerufen wird. Hier die entsprechenden Befehle, falls sie im verwendeten Startupcode nicht onehin schon enthalten sind:
/*FPU settings*/
ldr r0, =0xE000ED88 /* Enable CP10,CP11 */
ldr r1,[r0]
orr r1,r1,#(0xF << 20)
str r1,[r0]
In C/C++ unter Verwendung der CMSIS geht es so:
SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2)); /* set CP10 and CP11 Full Access */
Weiterhin sollte die GCC-Distribution auch Laufzeitbibliotheken mit FPU-Unterstützung mitbringen (CodeBench lite und Yagarto werden ohne ausgeliefert, GCC-ARM-Embedded mit).
Am Beispiel der STM32F4 mehr dazu in diesem Thread: Floating Pointing Unit STM32F4