编译器(compiler)

介绍

GCC（GNU Compiler Collection）是一种广泛使用的编译器，用于将高级编程语言（例如C、C++、Objective-C、Fortran、Ada等）翻译成机器代码。GCC是自由软件，其代码在GNU通用公共许可证（GPL）下发布。

原理

GCC编译器的工作原理大致可分为四个步骤：预处理、编译、汇编和链接。

预处理

预处理器是GCC的第一个阶段。它读取源文件并执行以下操作：

• 删除注释：预处理器会删除所有的注释，以简化后续阶段的处理。
• 展开宏定义：预处理器会将所有的宏定义展开为它们实际的代码。
• 处理条件编译指令：预处理器会根据条件编译指令的结果决定哪些代码应该被编译，哪些代码应该被忽略。
• 处理包含指令：预处理器会将所有的#include指令替换为被包含文件的实际内容。

编译

编译器是GCC的第二个阶段。它接收预处理器生成的文件，并将其转换为汇编代码。在这个阶段，编译器会执行以下操作：

• 词法分析：编译器会将源代码分解成一个个词法单元，例如标识符、关键字、运算符等等。
• 语法分析：编译器会根据语法规则将词法单元组合成语法结构，例如函数、语句、表达式等等。
• 语义分析：编译器会检查语法结构是否符合语言规范，并进行类型检查。
• 生成中间代码：编译器会将源代码转换为中间代码，它是一种抽象的、与平台无关的代码形式。

汇编

汇编器是GCC的第三个阶段。它将中间代码转换为可执行的机器代码。在这个阶段，汇编器会执行以下操作：

• 操作选择：汇编器会将中间代码转换为适合目标计算机的操作码序列。
• 寄存器分配：汇编器会将中间代码中的变量映射到CPU寄存器中。
• 生成目标代码：汇编器会将操作码序列转换为目标计算机的二进制代码。

链接

链接器的工作是将目标文件和库文件合并为一个可执行文件。具体来说，链接器会执行以下操作：

• 符号解析：链接器会解析目标文件中的符号引用，以确定它们对应的地址。符号是指函数、变量、常量等在源代码中定义的标识符。链接器会将符号引用和符号定义进行匹配，以确定符号引用所对应的符号定义的地址。
• 重定位：在符号解析的基础上，链接器会将所有的地址修正为正确的值。目标文件和库文件中的符号引用最初只包含了相对地址，即它们距离符号定义的地址的偏移量。链接器会将这些相对地址加上符号定义的地址，以得到正确的绝对地址。
• 生成可执行文件：最终，链接器会将所有的目标文件和库文件合并为一个可执行文件。可执行文件包含了所有的代码和数据，可以被操作系统加载和执行。

需要注意的是，在链接阶段还可能会发生符号冲突的情况。如果多个目标文件或库文件中定义了相同的符号，链接器会尝试解决这些冲突。常见的解决方式包括静态链接和动态链接。静态链接会将所有的代码和数据都打包在可执行文件中，而动态链接会将一部分代码和数据打包在可执行文件中，而将其他部分作为库文件在运行时加载。

常用指令和参数

GCC是一个功能强大的编译器，它支持多种编程语言和操作系统。下面介绍一些常用的GCC指令和相关参数：

• 编译指令：gcc filename.c，将C源代码编译为可执行文件。这个命令会执行预处理、编译、汇编、链接四个步骤，并生成一个默认的可执行文件a.out。
• 指定输出文件名：gcc -o filename filename.c，将C源代码编译为指定名称的可执行文件。
• 生成静态库：ar rcs libname.a file1.o file2.o ...，将多个目标文件打包为静态库libname.a。静态库包含可重定位目标文件，可供链接器使用。
• 生成动态库：gcc -shared -o libname.so file1.o file2.o ...，将多个目标文件打包为动态库libname.so。动态库包含可重定位目标文件和符号表，可供运行时动态加载。
• 调试信息：gcc -g filename.c，在编译时添加调试信息，方便调试程序。
• 优化级别：gcc -O1 filename.c，指定优化级别为1，可以有效提高程序运行效率。
• 指定编译器：gcc -B /path/to/compiler filename.c，指定编译器路径。

在编译操作系统时，需要使用GCC的交叉编译功能，以生成目标系统的可执行文件。常用的指令和参数如下：

• 指定目标平台：--target=target，指定目标平台，如arm-linux-gnueabi、mips-linux-gnu等。
• 指定交叉编译工具链：--with-arch=arch，指定交叉编译工具链的CPU架构，如armv7-a、mips32r2等。
• 指定编译器前缀：--prefix=path，指定编译器前缀，如arm-linux-gnueabi-、mips-linux-gnu-等。
• 指定交叉编译选项：-march=arch -mtune=cpu，指定目标平台的CPU架构和优化级别。
• 指定库搜索路径：-L path，指定库文件搜索路径。
• 指定头文件搜索路径：-I path，指定头文件搜索路径。

举例

编译ARM架构的Linux操作系统

在编译ARM架构的Linux操作系统时，可以使用如下命令：

./configure --target=arm-linux-gnueabi --with-arch=armv7-a --prefix=/usr/local/arm-linux-gnueabi
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

其中，./configure命令用于生成Makefile，--target、--with-arch、--prefix参数指定编译选项，make命令用于执行编译操作。ARCH和CROSS_COMPILE是make命令的两个参数，用于指定编译器的架构和前缀，分别对应GCC的-march和--prefix选项。

ARCH指定编译器的架构，可以是arm、mips、x86等，用于选择对应的头文件和库文件。

CROSS_COMPILE指定编译器前缀，通常是交叉编译器的路径和名称前缀，如arm-linux-gnueabi-、mips-linux-gnu-等。这个前缀会自动加在编译命令中，指定使用对应的交叉编译器。

例如，ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-表示使用ARM架构的交叉编译器arm-linux-gnueabi-gcc编译程序。在编译操作系统时，需要使用交叉编译器，生成目标系统的可执行文件和库文件。

如果你想从零开始自主开发操作系统，并使用GCC进行编译，通常需要执行以下步骤：

• 配置交叉编译环境：操作系统开发通常需要使用交叉编译环境，即编译器和工具链，可以在主机上编译生成适用于目标系统的程序。你需要在主机上安装交叉编译器，并配置交叉编译环境。
• 编写操作系统内核代码：你需要编写操作系统内核代码，这通常包括操作系统启动代码、中断处理程序、内存管理代码、文件系统和设备驱动等。
• 编写Makefile：Makefile是用于编译和链接操作系统代码的脚本文件，你需要编写Makefile，指定编译选项和编译顺序等信息。Makefile可以自动化地执行编译过程，生成目标系统的二进制代码。
• 执行编译操作：你可以使用GCC编译器执行编译操作，编译操作系统内核代码，生成目标系统的二进制代码。

通常情况下，操作系统开发需要了解底层硬件、操作系统内核架构和汇编语言等知识，这些知识对于操作系统开发者来说是非常重要的。如果你是初学者，建议先学习相关知识，熟悉操作系统开发的基本流程和编译器的使用方法，然后再开始自主开发操作系统。