Einführung in die GNU-Toolchain

Transcription

Michael Schiefer, Christoph Steup
Eingebettete Systeme und Betriebssysteme (EOS)
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Sommersemester 2014
Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS
SS14
1/1
Überblick
diese Woche
GNU-Toolchain
GDB
QEMU
C/C++-Einführung
nächste Woche
Organisatorisches
OOStuBS
Programmierung
danach
meist Abgaben
Theorie und Praxis im Wechsel
mehr dazu nächste Woche
SS14
2/1
GNU-Toolchain
GNU-Toolchain I
Ziele
Erzeugung lauffähiger Programme/Bibliotheken aus Quellcode
Architekturunabhängigkeit
Abarbeitung aller Schritte autonom ohne Benutzereingriff
Tools
Buildsystem : GNU Make (make)
Präprozessor : Gnu Compiler Collection (gcc)
Compiler : GNU Compiler Collection (gcc/g++)
Assembler : GNU Binutils - Assembler (gas)
Linker : GNU Binutils - Linker (ld)
SS14
3/1
GNU-Toolchain
GNU-Toolchain II
*.o
*.h
Präprozessor
C/C++ Compiler
*.c[c]
*.o
prog
Linker
Assembler
*.o
GNU Make
Makefile
SS14
4/1
GNU-Toolchain
GNU Make
GNU Make (make)
allgemeiner Aufruf: make <Ziel>
Steuerung durch Datei "Makefile"
regelbasierte Syntax
Ablauf einer Regel
1
Auflösen der Abhängigkeiten
2
Überprüfung auf Aktualität
3
Ausführen der Befehle
Beispiel - einfache Makefile
TARGET=e x a m p l e
SOURCES=e x a m p l e . c c a s s e m b l e r . S
$ {TARGET } : $ {SOURCES}
$ {CXX} $ {CFLAGS} $^ −o $@
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5/1
GNU-Toolchain
GNU Compiler Collection
GNU Compiler Collection (gcc/g++)
Übersetzung in ausführbaren Maschinencode
(Programme/Bibliotheken)
Aufruf für C: gcc <datei.c>
Aufruf für C++: g++ <datei.cc>
-Wall Ausgabe von allen Warnungen
-o <datei> Name der zu erzeugenden Datei, sonst a.out
-g Einbinden von Debug-Informationen für GDB
-O[0|1|2|3|s] Optimierungsstufen
Wenn nur Teilschritte ausgeführt werden sollen:
-c nur Objekt-Code erzeugen
-S nur Assembler-Code erzeugen
-E nur Präprozessor ausführen
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GNU-Toolchain
Präprozessor
Präprozessor (gcc/g++)
Textuelle Ersetzung zur Vorverarbeitung
Einsatzzwecke
Bedingte Übersetzung (z.B. systemspezifische Teile)
Auflösen von Makros (für C++ kaum von Bedeutung)
Definition von Konstanten (unter C++ unschön)
Häufige Präprozessor Direktiven
#include <Datei> Einbinden von Header-Dateien
#define <Name> <Wert> Definition von Konstanten und Makros
Bedingte Übersetzung des folgenden Codeblocks:
#if <Bedingung> Test auf Bedingung
#ifdef <Name> Test ob Name bereits definiert
#ifndef <Name> Gegenteil zu #ifdef <Name>
#else Alternative
#endif Ende eines bedingt Codeblocks
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GNU-Toolchain
GNU Assembler
GNU Assembler (gas)
Aufruf über gcc: gcc <Datei.S>
direkter Aufruf: as <Datei.S>
Beispiel - einfache Assembler-Datei
. data
base :
zero :
one :
. long 0
. long 1
/∗ B e g i n d e s C o de s ∗/
. text
. global
/∗ B e g i n d e r D a t e n d e f i n i t i o n ∗/
/∗ L a b e l ∗/
/∗ r e s e r v i e r e n von v o r b e l e g t e m S p e i c h e r ∗/
return1
return1 :
/∗ E x t e r n
/∗ B e g i n
mov $ b a s e , %e c x
movl 4(% e c x ) , %e a x
ret
v e r f u e g b a r e S y m b o l e ∗/
einer
F u n k t i o n ∗/
/∗ R u e c k s p r u n g ∗/
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GNU-Toolchain
GNU Linker
GNU Linker (ld)
Syntax
Aufruf über gcc: gcc < Datei1.o Datei2.o .. > -o
<output>
direkter Aufruf: ld < Datei1.o Datei2.o .. > -o <output>
Aufgabe: Auflösen von unbekannten Symbolen zwischen
Objektdateien
kann über Skriptdatei gesteuert werden, für Betriebssystem nötig
Bei Aufruf über gcc zusätzliche interne Schritte zur Erzeugung von
Programmen
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GNU-Toolchain
GNU Debugger
GNU Debugger: gdb
Aufruf: gdb <Programm>
Mächtiges Werkzeug zur Analyse vom Programmverhalten
Graphische Oberflächen für gdb:
ddd (Data Display Debugger)
insight
Wichtige Befehle
help [<Parameter>] Hilfstext ausgeben
break <Funktion> Programm gezielt unterbrechen
run <Parameter> Programm starten
continue Programm fortsetzen
kill Programm abbrechen
print <Ausdruck> Programmvariablen ausgeben
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GNU-Toolchain
GNU Debugger
GNU Debugger II
meist existieren Kurzformen für Befehle (continue, cont, c)
Weitere Befehle
backtrace Aufrufhierarchie verfolgen
list Quellcodezeilen auflisten
next [Anzahl] geht Anzahl (default 1) Schritte weiter
step [Anzahl] wie next, nur geht es auch in Unterfunktionen
disass Disassemblieren
x/[Format] ∗[Adresse] Bytes an Adresse im Format ausgeben
info locals lokale Variablen ausgeben
info r Werte der Register ausgeben
set [Name] = [Wert] Variable Name auf Wert setzen
···
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GNU-Toolchain
QEMU Emulator
Emulator QEMU
Multi-Architektur Emulator
Emulation von x86-CPU sowie Peripherie:
Chipsatz (Intel i440FX)
Grafikkarte (Standard VGA oder Cirrus CLGD 5446)
Eingabegeräte (PS/2 Tastatur und Maus)
Netzwerkkarten (e1000)
Soundkarten (AC97, ES1370 oder Creative Soundblaster 16)
verschiedene Ports (USB, Seriell, Parallel)
Besondere Features:
direktes Laden von Betriebssystemkernen (QEMU > 0.10)
Debugging mithilfe von GDB
Skriptfähig, da Konsolenanwendung
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Programmiersprache C / C++
C ist meist verwendeten Sprachen obwohl relativ alt (erste Version
ab 1971)
Fast alle gängigen Betriebssysteme in C/C++ geschrieben
Sehr maschinennahe Sprache, deshalb gut für
Systemprogrammierung geeignet
C++ syntaktisch zu C kompatibel aber mächtiger
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C ist meist verwendeten Sprachen obwohl relativ alt (erste Version
ab 1971)
Fast alle gängigen Betriebssysteme in C/C++ geschrieben
Sehr maschinennahe Sprache, deshalb gut für
Systemprogrammierung geeignet
C++ syntaktisch zu C kompatibel aber mächtiger
Fazit:
Wer sich mit Systemprogrammierung beschäftigt,
kommt um C/C++ nicht herum!
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Datentypen
Typisierung und Deklaration
Jede Variable hat eindeutigen Typ der mögliche
Anweisungen/Befehle bestimmt
Trennung von Deklaration und Definition
Compiler überwacht korrekte Typisierung
Bei inkompatiblen Datentypen Umwandlung nötig:
implizite/explizite casts
Syntax: [Spezifizierer] Basistyp[Modifikator] Objektname[Modifikator];
Spezifizierer Veränderung der internen Repräsentation (const,
extern, static, volatile)
Modifikator Veränderung des Typs (Zeiger *, Referenz &,
Array [], Funktion ())
Beispiel – Deklaration und Definition
s t r i n g output ;
output = " Test1 " ;
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Datentypen
Basisdatentypen in C
C kennt folgende Datentypen, Größen für x86-Architektur
char
c;
short
s;
int
i ;
long
l ;
long long
ll ;
float
f;
double
d;
long double ld ;
/∗
/∗
/∗
/∗
/∗
/∗
/∗
/∗
8
16
32
32
64
32
64
128
Bit
Bit
Bit
Bit
Bit
Bit
Bit
Bit
, A chtung :
∗/
∗/
∗/
∗/
, A chtung :
, A chtung :
, Achtung :
standardmaessig
i n OOStuBs n i c h t
s i g n e d ∗/
v e r w e n d e n ∗/
Unsigned und Signed Variante für jeden ganzzahligen Typ
Größe der Datentypen systemabhängig, wobei gilt:
int ist natürliche Größe der Plattform
short ≤ int ≤ long
Tatsächliche Größe eines Datentyps mit Operator sizeof
(Datentyp|Variable) in Bytes
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Datentypen
Datentyp bool
Kein expliziter Datentyp bool in ANSI-C
Als Erweiterung in C definiert, in C++ Standard
implizite Konvertierung (0 = false und 0 6= true)
Beispiel – bool
int
int
t =1;
f =0;
int
main ( ) {
if (t)
p r i n t f ( " t r u e \n" ) ;
i f (! f )
p r i n t f ( " f a l s e \n" ) ;
}
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Datentypen
Enumerationen
Deklaration von Aufzählungen
Alternativ auch zur Konstantendefinition mit sprechenden Namen
ist Menge von Integer-Konstanten
Verwendung äquivalent zu int
Definierte Enumerationen sind jeweils eigener Typ
Beispiel - enum
enum T e x t I n d i c e s {
Object ,
Interface ,
Test1 ,
Test2
};
const
v o i d ∗ g e t T e x t ( enum T e x t I n d i c e s
index );
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Funktionen
Funktionen in C
Definition syntaktisch wie Methodendefinition in Java
Auch hier Trennung von Deklaration und Definition möglich
Es können nur bereits deklarierte Funktionen verwendet werden!
Trennung von Interface und Implementierung:
Definitionen in Header-Dateien, beschreibt Interface
Definition in C-Dateien, beschreibt Implementierung
Funktionsdeklaration
const
index );
Funktionsdefinition
c o n s t v o i d ∗ g e t T e x t ( enum T e x t I n d i c e s
r e t u r n Text [ i n d e x ] ;
}
i n d e x ){
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Funktionen
Gültigkeitsbereich und Allokation I
Definition
Ein Codeblock ist ein von { und } eingeschlossener Bereich des
C/C++-Codes
Gültigkeitsbereiche
lokal, innerhalb eines Codeblocks
global, außerhalb von allen Codeblöcken
Zugriff auf Variablen nur auf gleicher oder in weiteren
Verschachtlungsebene
Umdeklaration von Variablen in verschachtelten Blöcken ist
möglich, jedoch schlechter Stil
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Funktionen
Gültigkeitsbereich und Allokation II
Allokation
lokale Variablen werden auf dem Stack alloziert
globale Variablen liegen im Datensegment der ausführbaren Datei
Modifikation des Standardverhaltens
extern deklarierte Variablen, werden nicht erzeugt, ihre Existenz
wird vorausgesetzt
static deklarierte lokale Variablen behalten ihren Wert auch bei
Verlassen der Gültigkeit
static deklarierte globale Variablen gelten nur in der Datei in der
sie definiert wurden
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Klassen und Objekte
Klassendeklaration
Klassendeklaration ist eine C++ Typdeklaration (Wichtig:
Semikolon am Ende)
Nahezu identisch zu Java, jedoch : statt extends oder implements
Zugriffskontrolle durch public, protected, private (Standard:
private)
Beispiel – Klassendeklaration
c l a s s DataPrinter : public
private :
o s t r e a m& o u t ;
public :
void printOne ( ) ;
};
DataPrinterInterface {
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Klassen und Objekte
Zugriff auf Felder und Methoden
Objekte verwenden den Operator . (Punkt)
Objektzeiger verwenden den Operator -> (Pfeil)
Aktuelles Objekt spricht Felder/Methoden direkt an
Alternativer Zugriff mit this-Zeiger
Beispiel - Zugriff
o s t r e a m& D a t a P r i n t e r : : o p e r a t o r <<(Data &d ) {
o u t << d . s << e n d l ;
}
void DataPrinter : : printOne (){
t h i s −>o u t << " one : ␣ " << r e t u r n 1 ( ) << e n d l ;
}
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Klassen und Objekte
Strukturen und Unions
struct
Strukturdeklaration durch struct, abwärtskompatibel zu C
In C++ entspricht Klasse mit Standardzugriff public
Reihenfolge der Elemente wird vom Compiler nicht verändert
Compiler kann freie Speicherstellen zwischen den Elementen
einfügen
union
Eine union vereint mehrere Interpretationen eines Stück Speichers
in einem Typ
Syntaktisch äquivalent zu Strukturen
die Gesamtgröße entspricht der Größe des größten Elements
Jedes Element entspricht einer Interpretation des darunter liegenden
Speichers
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Klassen und Objekte
Beispiel: Strukturen und Unions
Beispiel - struct
s t r u c t Data {
string s ;
};
Beispiel - union
u n i o n DataUnion {
Data d a t a ;
const void∗ ptr ;
};
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Objekt-Orientierung
Überladen von Operatoren
Operatoren sind in C++ Methodenaufrufe
Überladen wie in Java
Nur bestehende Operatoren überladbar
Priorität und Assoziativität von Operanden nicht veränderbar
Beispiel - Überladung von «
c l a s s DataPrinter : public DataPrinterInterface {
public :
v i r t u a l o s t r e a m& o p e r a t o r <<( c o n s t v o i d ∗ a d d r e s s ) ;
};
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Operationen auf Typen
typedef
Verwendung: typedef <Definition> <Typenname>
Umbenennen von Datentype
Definition eigener Datentypen
Beispiel - typedef
typedef
const
char∗ s t r i n g ;
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Operationen auf Typen
Casts
implizite: führt der Compiler automatisch durch
explizite: werden vom Programmierer angefordert:
C-Cast: (<neuer Typ>)<variable>
unsicher → nicht verwenden
C++-Casts: spezielle Checks, daher error bei invaliden Casts
(<> gehören zur Syntax) :
const_cast<neuer Typ>(Variable) Cast von const Objekt zu
nicht const Objekt
static_cast<neuer Typ>(Variable) Cast die Vererbungskette
hinab, Check zur Compile-Zeit
dynamic_cast<neuer Typ>(Variable) Cast die Vererbungskette
hinab, Check zur Laufzeit
reinterpret_cast<neuer Typ>(Variable) für alles andere
Beispiel - cast
c o n s t v o i d ∗ p t r=r e i n t e r p r e t _ c a s t <c o n s t
v o i d ∗>( o u t p u t ) ;
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Zeiger und Referenzen
Achtung
Eine der wichtigsten Fehlerquellen in C/C++ sind Zeiger!
Grund:
Unkontrollierter Zugriff auf beliebige Speicherstellen
Programmabbruch durch das Betriebssystem (gut!)
Überschreiben beliebiger Daten (schlecht!)
Fehler durch falsche Zeiger sind oft sehr schwer zu finden
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Beispiele
int *p
255
int **p
255
char name[]
int argc
H
a
l
r
m
-
r
l
o
4
char **argv
f
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Literatur
Literatur I
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Anhang
Beispiel Projekt: Makefile und Assembler-Code
Makefile
TARGET=e x a m p l e
SOURCES=e x a m p l e . c c a s s e m b l e r . S
$ {TARGET } : $ {SOURCES}
$ {CXX} $ {CFLAGS} $^ −o $@
Assembler Code (assembler.S)
. data
base :
zero :
one :
. long 0
. long 1
/∗ B e g i n d e s C o de s ∗/
. text
. global
/∗ B e g i n d e r D a t e n d e f i n i t i o n ∗/
/∗ L a b e l ∗/
/∗ r e s e r v i e r e n von v o r b e l e g t e m S p e i c h e r ∗/
return1
return1 :
/∗ E x t e r n
/∗ B e g i n
mov $ b a s e , %e c x
movl 4(% e c x ) , %e a x
ret
v e r f u e g b a r e S y m b o l e ∗/
einer
F u n k t i o n ∗/
/∗ R u e c k s p r u n g ∗/
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Anhang
Beispiel Projekt: example.h I
#i f n d e f __example_header__
#d e f i n e __example_header__
#i n c l u d e <i o s t r e a m >
using
using
using
using
std
std
std
std
typedef
::
::
::
::
cout ;
hex ;
endl ;
ostream ;
const
char∗ s t r i n g ;
enum T e x t I n d i c e s {
Object ,
Interface ,
Test1 ,
Test2
};
const
index );
s t r u c t Data {
string s ;
};
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32 / 1
Anhang
Beispiel Projekt: example.h II
u n i o n DataUnion {
Data d a t a ;
const void∗ ptr ;
};
class DataPrinterInterface {
public :
v i r t u a l ~DataPrinterInterface ();
v i r t u a l o s t r e a m& o p e r a t o r <<(Data &d ) = 0 ;
v i r t u a l o s t r e a m& o p e r a t o r <<( c o n s t v o i d ∗ a d d r e s s ) = 0 ;
};
c l a s s DataPrinter : public DataPrinterInterface {
private :
o s t r e a m& o u t ;
public :
DataPrinter ( ) ;
v i r t u a l ~DataPrinter ( ) ;
void printOne ( ) ;
v i r t u a l o s t r e a m& o p e r a t o r <<(Data &d ) ;
v i r t u a l o s t r e a m& o p e r a t o r <<( c o n s t v o i d ∗ a d d r e s s ) ;
};
e x t e r n "C" u n s i g n e d
#e n d i f
int
return1 ();
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33 / 1
Anhang
Beispiel Projekt: example.cc I
#i n c l u d e " e x a m p l e . h "
static
const
c h a r ∗ T e x t [ ] = { "Tod␣ d e s ␣ O b j e c t s " , "Tod␣ d e s ␣ I n t e r f a c e s " ,
" Test1 "
, " Test2 " } ;
c o n s t v o i d ∗ g e t T e x t ( enum T e x t I n d i c e s
r e t u r n Text [ i n d e x ] ;
}
DataPrinter : : DataPrinter ()
}
:
i n d e x ){
DataPrinterInterface () ,
out ( cout ){
DataPrinter ::~ DataPrinter (){
c o n s t c h a r ∗ t e x t = ( c o n s t c h a r ∗) g e t T e x t ( O b j e c t ) ;
c o u t <<
t e x t << e n d l ;
}
DataPrinterInterface ::~ DataPrinterInterface (){
c o u t << ∗ ( T e x t+ I n t e r f a c e ) << e n d l ;
}
o s t r e a m& D a t a P r i n t e r : : o p e r a t o r <<(Data &d ) {
o u t << d . s << e n d l ;
}
o s t r e a m& D a t a P r i n t e r : : o p e r a t o r <<( c o n s t
o u t << h e x << a d d r e s s << e n d l ;
}
v o i d ∗ a d d r e s s ){
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34 / 1
Anhang
Beispiel Projekt: example.cc II
void DataPrinter : : printOne (){
t h i s −>o u t << " one : ␣ " << r e t u r n 1 ( ) << e n d l ;
}
c o n s t v o i d ∗ p t r=r e i n t e r p r e t _ c a s t <c o n s t
v o i d ∗>( o u t p u t ) ;
DataUnion u ;
i n t main ( ) {
DataPrinter
print ;
output = " Test1 " ;
u . p t r = Text [ Test1 ] ;
p r i n t << u . d a t a ;
c o u t << "&(" << o u t p u t << " ) : ␣ " <<
p t r << e n d l ;
o u t p u t = r e i n t e r p r e t _ c a s t <c o n s t c h a r ∗>( g e t T e x t ( T e s t 2 ) ) ;
c o u t << "&(" << o u t p u t << " ) : ␣ " << p t r << e n d l ;
return
0;
}
SS14
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Einführung in die GNU-Toolchain

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