單芯片解決方案，開啟全新體驗(yàn)——W55MH32 高性能以太網(wǎng)單片機(jī)

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太網(wǎng)單片機(jī)，它為用戶帶來前所未有的集成化體驗(yàn)。這顆芯片將強(qiáng)大的組件集于一身，具體來說，一顆W55MH32內(nèi)置高性能Arm? Cortex-M3核心，其主頻最高可達(dá)216MHz；配備1024KB FLASH與96KB SRAM，滿足存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理需求；集成TOE引擎，包含WIZnet全硬件TCP/IP協(xié)議棧、內(nèi)置MAC以及PHY，擁有獨(dú)立的32KB以太網(wǎng)收發(fā)緩存，可供8個(gè)獨(dú)立硬件socket使用。如此配置，真正實(shí)現(xiàn)了All-in-One解決方案，為開發(fā)者提供極大便利。

在封裝規(guī)格上，W55MH32 提供了兩種選擇：QFN100和QFN68。

W55MH32L采用QFN100封裝版本，尺寸為12x12mm，其資源豐富，專為各種復(fù)雜工控場(chǎng)景設(shè)計(jì)。它擁有66個(gè)GPIO、3個(gè)ADC、12通道DMA、17個(gè)定時(shí)器、2個(gè)I2C、5個(gè)串口、2個(gè)SPI接口（其中1個(gè)帶I2S接口復(fù)用）、1個(gè)CAN、1個(gè)USB2.0以及1個(gè)SDIO接口。如此豐富的外設(shè)資源，能夠輕松應(yīng)對(duì)工業(yè)控制中多樣化的連接需求，無論是與各類傳感器、執(zhí)行器的通信，還是對(duì)復(fù)雜工業(yè)協(xié)議的支持，都能游刃有余，成為復(fù)雜工控領(lǐng)域的理想選擇。 同系列還有QFN68封裝的W55MH32Q版本，該版本體積更小，僅為8x8mm，成本低，適合集成度高的網(wǎng)關(guān)模組等場(chǎng)景，軟件使用方法一致。更多信息和資料請(qǐng)進(jìn)入http://www.w5500.com/網(wǎng)站或者私信獲取。

此外，本W(wǎng)55MH32支持硬件加密算法單元，WIZnet還推出TOE+SSL應(yīng)用，涵蓋TCP SSL、HTTP SSL以及 MQTT SSL等，為網(wǎng)絡(luò)通信安全再添保障。

為助力開發(fā)者快速上手與深入開發(fā)，基于W55MH32L這顆芯片，WIZnet精心打造了配套開發(fā)板。開發(fā)板集成WIZ-Link芯片，借助一根USB C口數(shù)據(jù)線，就能輕松實(shí)現(xiàn)調(diào)試、下載以及串口打印日志等功能。開發(fā)板將所有外設(shè)全部引出，拓展功能也大幅提升，便于開發(fā)者全面評(píng)估芯片性能。

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第三十章 MDK的編譯過程及文件類型

相信您已經(jīng)非常熟練地使用MDK創(chuàng)建應(yīng)用程序了，平時(shí)使用MDK編寫源代碼，然后編譯生成機(jī)器碼，再把機(jī)器碼下載到STM32芯片上運(yùn)行， 但是這個(gè)編譯、下載的過程MDK究竟做了什么工作？它編譯后生成的各種文件又有什么作用？本章節(jié)將對(duì)這些過程進(jìn)行講解， 了解編譯及下載過程有助于理解芯片的工作原理，這些知識(shí)對(duì)制作IAP(bootloader)以及讀寫控制器內(nèi)部FLASH的應(yīng)用時(shí)非常重要。

1 編譯過程

首先我們簡(jiǎn)單了解下MDK的編譯過程，它與其它編譯器的工作過程是類似的， 該過程見下圖：

編譯過程生成的不同文件將在后面的小節(jié)詳細(xì)說明，此處先抓住主要流程來理解。

(1) 編譯，MDK軟件使用的編譯器是armcc和armasm， 它們根據(jù)每個(gè)c/c++和匯編源文件編譯成對(duì)應(yīng)的以“.o”為后綴名的對(duì)象文件(Object Code，也稱目標(biāo)文件)， 其內(nèi)容主要是從源文件編譯得到的機(jī)器碼，包含了代碼、數(shù)據(jù)以及調(diào)試使用的信息；

(2) 鏈接， 鏈接器armlink把各個(gè).o文件及庫文件鏈接成一個(gè)映像文件“.axf”或“.elf”；

(3) 格式轉(zhuǎn)換，一般來說Windows或Linux系統(tǒng)使用鏈接器直接生成可執(zhí)行映像文件elf后，內(nèi)核根據(jù)該文件的信息加載后， 就可以運(yùn)行程序了，但在單片機(jī)平臺(tái)上，需要把該文件的內(nèi)容加載到芯片上， 所以還需要對(duì)鏈接器生成的elf映像文件利用格式轉(zhuǎn)換器fromelf轉(zhuǎn)換成“.bin”或“.hex”文件，交給下載器下載到芯片的FLASH或ROM中。

2 程序的組成、存儲(chǔ)與運(yùn)行

2.1 CODE、RO、RW、ZI Data域及堆?？臻g

在工程的編譯提示輸出信息中有一個(gè)語句“Program Size：Code=xx RO-data=xx RW-data=xx ZI-data=xx”， 它說明了程序各個(gè)域的大小，編譯后，應(yīng)用程序中所有具有同一性質(zhì)的數(shù)據(jù)(包括代碼)被歸到一個(gè)域，程序在存儲(chǔ)或運(yùn)行的時(shí)候， 不同的域會(huì)呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，這些域的意義如下：

Code：即代碼域，它指的是編譯器生成的機(jī)器指令，這些內(nèi)容被存儲(chǔ)到ROM區(qū)。

RO-data：Read Only data，即只讀數(shù)據(jù)域，它指程序中用到的只讀數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在ROM區(qū)，因而程序不能修改其內(nèi)容。 例如C語言中const關(guān)鍵字定義的變量就是典型的RO-data。

RW-data：Read Write data，即可讀寫數(shù)據(jù)域，它指初始化為“非0值”的可讀寫數(shù)據(jù)，程序剛運(yùn)行時(shí)，這些數(shù)據(jù)具有非0的初始值， 且運(yùn)行的時(shí)候它們會(huì)常駐在RAM區(qū)，因而應(yīng)用程序可以修改其內(nèi)容。例如C語言中使用定義的全局變量，且定義時(shí)賦予“非0值”給該變量進(jìn)行初始化。

ZI-data：Zero Initialie data，即0初始化數(shù)據(jù)，它指初始化為“0值”的可讀寫數(shù)據(jù)域， 它與RW-data的區(qū)別是程序剛運(yùn)行時(shí)這些數(shù)據(jù)初始值全都為0， 而后續(xù)運(yùn)行過程與RW-data的性質(zhì)一樣，它們也常駐在RAM區(qū)，因而應(yīng)用程序可以更改其內(nèi)容。例如C語言中使用定義的全局變量， 且定義時(shí)賦予“0值”給該變量進(jìn)行初始化(若定義該變量時(shí)沒有賦予初始值，編譯器會(huì)把它當(dāng)ZI-data來對(duì)待，初始化為0)；

ZI-data的?？臻g(Stack)及堆空間(Heap)：在C語言中，函數(shù)內(nèi)部定義的局部變量屬于?？臻g，進(jìn)入函數(shù)的時(shí)候從向?？臻g申請(qǐng)內(nèi)存給局部變量， 退出時(shí)釋放局部變量，歸還內(nèi)存空間。而使用malloc動(dòng)態(tài)分配的變量屬于堆空間。在程序中的?？臻g和堆空間都是屬于ZI-data區(qū)域的， 這些空間都會(huì)被初始值化為0值。編譯器給出的ZI-data占用的空間值中包含了堆棧的大小(經(jīng)實(shí)際測(cè)試，若程序中完全沒有使用malloc動(dòng)態(tài)申請(qǐng)堆空間， 編譯器會(huì)優(yōu)化，不把堆空間計(jì)算在內(nèi))。

綜上所述，以程序的組成構(gòu)件為例，它們所屬的區(qū)域類別見下表：

2.2 程序的存儲(chǔ)與運(yùn)行

RW-data和ZI-data它們僅僅是初始值不一樣而已，為什么編譯器非要把它們區(qū)分開？這就涉及到程序的存儲(chǔ)狀態(tài)了，應(yīng)用程序具有靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)行狀態(tài)。 靜止態(tài)的程序被存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中，如STM32的內(nèi)部FLASH，因而系統(tǒng)掉電后也能正常保存。但是當(dāng)程序在運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，程序常常需要修改一些暫存數(shù)據(jù)， 由于運(yùn)行速度的要求，這些數(shù)據(jù)往往存放在內(nèi)存中(RAM)，掉電后這些數(shù)據(jù)會(huì)丟失。因此，程序在靜止與運(yùn)行的時(shí)候它在存儲(chǔ)器中的表現(xiàn)是不一樣的， 見下圖：

圖中的左側(cè)是應(yīng)用程序的存儲(chǔ)狀態(tài)，右側(cè)是運(yùn)行狀態(tài)，而上方是RAM存儲(chǔ)器區(qū)域，下方是ROM存儲(chǔ)器區(qū)域。

程序在存儲(chǔ)狀態(tài)時(shí)，RO節(jié)(RO section)及RW節(jié)都被保存在ROM區(qū)。當(dāng)程序開始運(yùn)行時(shí)，內(nèi)核直接從ROM中讀取代碼，并且在執(zhí)行主體代碼前， 會(huì)先執(zhí)行一段加載代碼，它把RW節(jié)數(shù)據(jù)從ROM復(fù)制到RAM， 并且在RAM加入ZI節(jié)，ZI節(jié)的數(shù)據(jù)都被初始化為0。加載完后RAM區(qū)準(zhǔn)備完畢，正式開始執(zhí)行主體程序。

編譯生成的RW-data的數(shù)據(jù)屬于圖中的RW節(jié)，ZI-data的數(shù)據(jù)屬于圖中的ZI節(jié)。是否需要掉電保存，這就是把RW-data與ZI-data區(qū)別開來的原因， 因?yàn)樵赗AM創(chuàng)建數(shù)據(jù)的時(shí)候，默認(rèn)值為0，但如果有的數(shù)據(jù)要求初值非0，那就需要使用ROM記錄該初始值，運(yùn)行時(shí)再復(fù)制到RAM。

STM32的RO區(qū)域不需要加載到SRAM，內(nèi)核直接從FLASH讀取指令運(yùn)行。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用程序運(yùn)行過程很類似，不過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序在存儲(chǔ)狀態(tài)時(shí)位于硬盤， 執(zhí)行的時(shí)候甚至?xí)焉鲜龅腞O區(qū)域(代碼、只讀數(shù)據(jù))加載到內(nèi)存，加快運(yùn)行速度，還有虛擬內(nèi)存管理單元(MMU)輔助加載數(shù)據(jù)， 使得可以運(yùn)行比物理內(nèi)存還大的應(yīng)用程序。而STM32沒有MMU，所以無法支持Linux和Windows系統(tǒng)。

當(dāng)程序存儲(chǔ)到STM32芯片的內(nèi)部FLASH時(shí)(即ROM區(qū))，它占用的空間是Code、RO-data及RW-data的總和，所以如果這些內(nèi)容比STM32芯片的FLASH空間大， 程序就無法被正常保存了。當(dāng)程序在執(zhí)行的時(shí)候，需要占用內(nèi)部SRAM空間(即RAM區(qū))，占用的空間包括RW-data和ZI-data。 應(yīng)用程序在各個(gè)狀態(tài)時(shí)各區(qū)域的組成見下表：

在MDK中，我們建立的工程一般會(huì)選擇芯片型號(hào)，選擇后就有確定的FLASH及SRAM大小，若代碼超出了芯片的存儲(chǔ)器的極限， 編譯器會(huì)提示錯(cuò)誤，這時(shí)就需要裁剪程序了，裁剪時(shí)可針對(duì)超出的區(qū)域來優(yōu)化。

2.3編譯工具鏈

在前面編譯過程中，MDK調(diào)用了各種編譯工具，平時(shí)我們直接配置MDK，不需要學(xué)習(xí)如何使用它們，但了解它們是非常有好處的。例如， 若希望使用MDK編譯生成bin文件的，需要在MDK中輸入指令控制fromelf工具；在本章后面講解AXF及O文件的時(shí)候，需要利用fromelf工具查看其文件信息， 這都是無法直接通過MDK做到的。關(guān)于這些工具鏈的說明，在MDK的幫助手冊(cè)《ARM Development Tools》都有詳細(xì)講解， 點(diǎn)擊MDK界面的“help->uVision Help”菜單可打開該文件。

2.3.1armcc

armcc用于把c/c++文件編譯成ARM指令代碼，編譯后會(huì)輸出ELF格式的O文件(對(duì)象、目標(biāo)文件)，在命令行中輸入“armcc”回車可調(diào)用該工具， 它會(huì)打印幫助說明，見下圖，armcc的幫助提示：

幫助提示中分三部分，第一部分是armcc版本信息，第二部分是命令的用法，第三部分是主要命令選項(xiàng)。

根據(jù)命令用法： armcc [options] file1 file2 …filen ， 在[option]位置可輸入下面的“–arm”、“–cpu list”選項(xiàng)， 若選項(xiàng)帶文件輸入，則把文件名填充在file1 file2…的位置，這些文件一般是c/c++文件。

例如根據(jù)它的幫助說明，“–cpu list”可列出編譯器支持的所有cpu，我們?cè)诿钚兄休斎搿癮rmcc –cpu list”， 可查看圖中的cpu列表：

打開MDK的Options for Targe->c/c++菜單，可看到MDK對(duì)編譯器的控制命令， 見下圖，MDK的ARMCC編譯選項(xiàng)：

從該圖中的命令可看到，它調(diào)用了-c、-cpu –D –g –O1等編譯選項(xiàng)，當(dāng)我們修改MDK的編譯配置時(shí)，可看到該控制命令也會(huì)有相應(yīng)的變化。 然而我們無法在該編譯選項(xiàng)框中輸入命令，只能通過MDK提供的選項(xiàng)修改。

了解這些，我們就可以查詢具體的MDK編譯選項(xiàng)的具體信息了，如c/c++選項(xiàng)中的“Optimization：Leve 1（-O1）”是什么功能呢？ 首先可了解到它是“-O”命令，命令后還帶個(gè)數(shù)字，查看MDK的幫助手冊(cè)，在armcc編譯器說明章節(jié)， 可詳細(xì)了解，如下圖，編譯器選項(xiàng)說明：

利用MDK，我們一般不需要自己調(diào)用armcc工具，但經(jīng)過這樣的過程我們就會(huì)對(duì)MDK有更深入的認(rèn)識(shí)，面對(duì)它的各種編譯選項(xiàng)，就不會(huì)那么頭疼了。

2.3.2 armasm

armasm是匯編器，它把匯編文件編譯成O文件。與armcc類似， MDK對(duì)armasm的調(diào)用選項(xiàng)可在“Option for Target->Asm”頁面進(jìn)行配置， 見下圖，armasm與MDK的編譯選項(xiàng)：

2.3.3 armlink

armlink是鏈接器，它把各個(gè)O文件鏈接組合在一起生成ELF格式的AXF文件，AXF文件是可執(zhí)行的，下載器把該文件中的指令代碼下載到芯片后， 該芯片就能運(yùn)行程序了；利用armlink還可以控制程序存儲(chǔ)到指定的ROM或RAM地址。 在MDK中可在“Option for Target->Linker”頁面配置armlink選項(xiàng)， 見下圖，armlink與MDK的配置選項(xiàng)：

鏈接器默認(rèn)是根據(jù)芯片類型的存儲(chǔ)器分布來生成程序的，該存儲(chǔ)器分布被記錄在工程里的sct后綴的文件中，有特殊需要的話可自行編輯該文件， 改變鏈接器的鏈接方式，具體后面我們會(huì)詳細(xì)講解。

2.3.4 armar、fromelf及用戶指令

armar工具用于把工程打包成庫文件，fromelf可根據(jù)axf文件生成hex、bin文件，hex和bin文件是大多數(shù)下載器支持的下載文件格式。

在MDK中，針對(duì)armar和fromelf工具的選項(xiàng)幾乎沒有，僅集成了生成HEX或Lib的選項(xiàng)， 見下圖，控制fromelf生成hex及控制armar生成lib的配置：

例如如果我們想利用fromelf生成bin文件，可以在MDK的“Option for Target->User”頁中添加調(diào)用fromelf的指令， 見下圖，在MDK中添加指令：

在User配置頁面中，提供了三種類型的用戶指令輸入框，在不同組的框輸入指令， 可控制指令的執(zhí)行時(shí)間，分別是編譯前(Before Compile c/c++ file)、 構(gòu)建前(Before Build/Rebuild)及構(gòu)建后(AfterBuild/Rebuild)執(zhí)行。 這些指令并沒有限制必須是arm的編譯工具鏈，例如如果您自己編寫了python腳本， 也可以在這里輸入用戶指令執(zhí)行該腳本。

圖中的生成bin文件指令調(diào)用了fromelf工具，緊跟后面的是工具的選項(xiàng)及輸出文件名、輸入文件名。由于fromelf是根據(jù)axf文件生成bin的， 而axf文件又是構(gòu)建(build)工程后才生成，所以我們把該指令放到“After Build/Rebuild”一欄。

3.MDK工程的文件類型

除了上述編譯過程生成的文件，MDK工程中還包含了各種各樣的文件，下面我們統(tǒng)一介紹， MDK工程的常見文件類型見下表，MDK常見的文件類型：

這些文件主要分為MDK相關(guān)文件、源文件以及編譯、鏈接器生成的文件。我們以“多彩流水燈”工程為例講解各種文件的功能。

4 源文件

源文件是工程中我們最熟悉的內(nèi)容了，它們就是我們編寫的各種源代碼，MDK支持c、cpp、h、s、inc類型的源代碼文件， 其中c、cpp分別是c/c++語言的源代碼，h是它們的頭文件，s是匯編文件，inc是匯編文件的頭文件，可使用“$include”語法包含。 編譯器根據(jù)工程中的源文件最終生成機(jī)器碼。

4.1 Output目錄下生成的文件

點(diǎn)擊MDK中的編譯按鈕，它會(huì)根據(jù)工程的配置及工程中的源文件輸出各種對(duì)象和列表文件， 在工程的“Options for Targe->Output->Select Folder for Objects”和 “Options for Targe->Listing->Select Folder for Listings”選項(xiàng)配置它們的輸出路徑， 見下圖，設(shè)置Output輸出路徑 和圖 設(shè)置Listing輸出路徑：

4.2 lib庫文件

在某些場(chǎng)合下我們希望提供給第三方一個(gè)可用的代碼庫，但不希望對(duì)方看到源碼，這個(gè)時(shí)候我們就可以把工程生成lib文件(Library file)提供給對(duì)方， 在MDK中可配置“Options for Target->Create Library”選項(xiàng)把工程編譯成庫文件， 見下圖，生成庫文件或可執(zhí)行文件：

工程中生成可執(zhí)行文件或庫文件只能二選一，默認(rèn)編譯是生成可執(zhí)行文件的，可執(zhí)行文件即我們下載到芯片上直接運(yùn)行的機(jī)器碼。

得到生成的*.lib文件后，可把它像C文件一樣添加到其它工程中，并在該工程調(diào)用lib提供的函數(shù)接口， 除了不能看到*.lib文件的源碼，在應(yīng)用方面它跟C源文件沒有區(qū)別。

4.3 dep、d依賴文件

*.dep和*.d文件(Dependency file)記錄的是工程或其它文件的依賴，主要記錄了引用的頭文件路徑，其中*.dep是整個(gè)工程的依賴， 它以工程名命名，而*.d是單個(gè)源文件的依賴，它們以對(duì)應(yīng)的源文件名命名。這些記錄使用文本格式存儲(chǔ)，我們可直接使用記事本打開， 見下兩圖，工程的dep文件內(nèi)容和bsp文件的內(nèi)容：

審核編輯 黃宇