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

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太網(wǎng)單片機，它為用戶帶來前所未有的集成化體驗。這顆芯片將強大的組件集于一身，具體來說，一顆W55MH32內置高性能Arm? Cortex-M3核心，其主頻最高可達216MHz；配備1024KB FLASH與96KB SRAM，滿足存儲與數(shù)據(jù)處理需求；集成TOE引擎，包含WIZnet全硬件TCP/IP協(xié)議棧、內置MAC以及PHY，擁有獨立的32KB以太網(wǎng)收發(fā)緩存，可供8個獨立硬件socket使用。如此配置，真正實現(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，專為各種復雜工控場景設計。它擁有66個GPIO、3個ADC、12通道DMA、17個定時器、2個I2C、5個串口、2個SPI接口（其中1個帶I2S接口復用）、1個CAN、1個USB2.0以及1個SDIO接口。如此豐富的外設資源，能夠輕松應對工業(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，還是對復雜工業(yè)協(xié)議的支持，都能游刃有余，成為復雜工控領域的理想選擇。 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)關模組等場景，軟件使用方法一致。更多信息和資料請進入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應用，涵蓋TCP SSL、HTTP SSL以及 MQTT SSL等，為網(wǎng)絡通信安全再添保障。

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，就能輕松實現(xiàn)調試、下載以及串口打印日志等功能。開發(fā)板將所有外設全部引出，拓展功能也大幅提升，便于開發(fā)者全面評估芯片性能。

若您想獲取芯片和開發(fā)板的更多詳細信息，包括產品特性、技術參數(shù)以及價格等，歡迎訪問官方網(wǎng)頁：http://www.w5500.com/，我們期待與您共同探索W55MH32的無限可能。

第三十章 MDK的編譯過程及文件類型

相信您已經非常熟練地使用MDK創(chuàng)建應用程序了，平時使用MDK編寫源代碼，然后編譯生成機器碼，再把機器碼下載到STM32芯片上運行， 但是這個編譯、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)將對這些過程進行講解， 了解編譯及下載過程有助于理解芯片的工作原理，這些知識對制作IAP(bootloader)以及讀寫控制器內部FLASH的應用時非常重要。

1 編譯過程

首先我們簡單了解下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c/c++和匯編源文件編譯成對應的以“.o”為后綴名的對象文件(Object Code，也稱目標文件)， 其內容主要是從源文件編譯得到的機器碼，包含了代碼、數(shù)據(jù)以及調試使用的信息；

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

(3) 格式轉換，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，內核根據(jù)該文件的信息加載后， 就可以運行程序了，但在單片機平臺上，需要把該文件的內容加載到芯片上， 所以還需要對鏈接器生成的elf映像文件利用格式轉換器fromelf轉換成“.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、存儲與運行

2.1 CODE、RO、RW、ZI Data域及堆棧空間

在工程的編譯提示輸出信息中有一個語句“Program Size：Code=xx RO-data=xx RW-data=xx ZI-data=xx”， 它說明了程序各個域的大小，編譯后，應用程序中所有具有同一性質的數(shù)據(jù)(包括代碼)被歸到一個域，程序在存儲或運行的時候， 不同的域會呈現(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器指令，這些內容被存儲到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)被存儲在ROM區(qū)，因而程序不能修改其內容。 例如C語言中const關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)，程序剛運行時，這些數(shù)據(jù)具有非0的初始值， 且運行的時候它們會常駐在RAM區(qū)，因而應用程序可以修改其內容。例如C語言中使用定義的全局變量，且定義時賦予“非0值”給該變量進行初始化。

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)別是程序剛運行時這些數(shù)據(jù)初始值全都為0， 而后續(xù)運行過程與RW-data的性質一樣，它們也常駐在RAM區(qū)，因而應用程序可以更改其內容。例如C語言中使用定義的全局變量， 且定義時賦予“0值”給該變量進行初始化(若定義該變量時沒有賦予初始值，編譯器會把它當ZI-data來對待，初始化為0)；

ZI-data的棧空間(Stack)及堆空間(Heap)：在C語言中，函數(shù)內部定義的局部變量屬于棧空間，進入函數(shù)的時候從向棧空間申請內存給局部變量， 退出時釋放局部變量，歸還內存空間。而使用malloc動態(tài)分配的變量屬于堆空間。在程序中的棧空間和堆空間都是屬于ZI-data區(qū)域的， 這些空間都會被初始值化為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(經實際測試，若程序中完全沒有使用malloc動態(tài)申請堆空間， 編譯器會優(yōu)化，不把堆空間計算在內)。

綜上所述，以程序的組成構件為例，它們所屬的區(qū)域類別見下表：

2.2 程序的存儲與運行

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狀態(tài)了，應用程序具有靜止狀態(tài)和運行狀態(tài)。 靜止態(tài)的程序被存儲在非易失存儲器中，如STM32的內部FLASH，因而系統(tǒng)掉電后也能正常保存。但是當程序在運行狀態(tài)的時候，程序常常需要修改一些暫存數(shù)據(jù)， 由于運行速度的要求，這些數(shù)據(jù)往往存放在內存中(RAM)，掉電后這些數(shù)據(jù)會丟失。因此，程序在靜止與運行的時候它在存儲器中的表現(xiàn)是不一樣的， 見下圖：

圖中的左側是應用程序的存儲狀態(tài)，右側是運行狀態(tài)，而上方是RAM存儲器區(qū)域，下方是ROM存儲器區(qū)域。

程序在存儲狀態(tài)時，RO節(jié)(RO section)及RW節(jié)都被保存在ROM區(qū)。當程序開始運行時，內核直接從ROM中讀取代碼，并且在執(zhí)行主體代碼前， 會先執(zhí)行一段加載代碼，它把RW節(jié)數(shù)據(jù)從ROM復制到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， 因為在RAM創(chuàng)建數(shù)據(jù)的時候，默認值為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，運行時再復制到RAM。

STM32的RO區(qū)域不需要加載到SRAM，內核直接從FLASH讀取指令運行。計算機系統(tǒng)的應用程序運行過程很類似，不過計算機系統(tǒng)的程序在存儲狀態(tài)時位于硬盤， 執(zhí)行的時候甚至會把上述的RO區(qū)域(代碼、只讀數(shù)據(jù))加載到內存，加快運行速度，還有虛擬內存管理單元(MMU)輔助加載數(shù)據(jù)， 使得可以運行比物理內存還大的應用程序。而STM32沒有MMU，所以無法支持Linux和Windows系統(tǒng)。

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

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

2.3編譯工具鏈

在前面編譯過程中，MDK調用了各種編譯工具，平時我們直接配置MDK，不需要學習如何使用它們，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。關于這些工具鏈的說明，在MDK的幫助手冊《ARM Development Tools》都有詳細講解， 點擊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，編譯后會輸出ELF格式的O文件(對象、目標文件)，在命令行中輸入“armcc”回車可調用該工具， 它會打印幫助說明，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。

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， 若選項帶文件輸入，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，我們在命令行中輸入“armcc –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對編譯器的控制命令， 見下圖，MDK的ARMCC編譯選項：

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

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

利用MDK，我們一般不需要自己調用armcc工具，但經過這樣的過程我們就會對MDK有更深入的認識，面對它的各種編譯選項，就不會那么頭疼了。

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armasm的調用選項可在“Option for Target->Asm”頁面進行配置， 見下圖，armasm與MDK的編譯選項：

2.3.3 armlink

armlink是鏈接器，它把各個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， 該芯片就能運行程序了；利用armlink還可以控制程序存儲到指定的ROM或RAM地址。 在MDK中可在“Option for Target->Linker”頁面配置armlink選項， 見下圖，armlink與MDK的配置選項：

鏈接器默認是根據(jù)芯片類型的存儲器分布來生成程序的，該存儲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，具體后面我們會詳細講解。

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armar和fromelf工具的選項幾乎沒有，僅集成了生成HEX或Lib的選項， 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)行時間，分別是編譯前(Before Compile c/c++ file)、 構建前(Before Build/Rebuild)及構建后(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文件指令調用了fromelf工具，緊跟后面的是工具的選項及輸出文件名、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器碼。

4.1 Output目錄下生成的文件

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

4.2 lib庫文件

在某些場合下我們希望提供給第三方一個可用的代碼庫，但不希望對方看到源碼，這個時候我們就可以把工程生成lib文件(Library file)提供給對方， 在MDK中可配置“Options for Target->Create Library”選項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行的機器碼。

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，并在該工程調用lib提供的函數(shù)接口， 除了不能看到*.lib文件的源碼，在應用方面它跟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是整個工程的依賴， 它以工程名命名，而*.d是單個源文件的依賴，它們以對應的源文件名命名。這些記錄使用文本格式存儲，我們可直接使用記事本打開， 見下兩圖，工程的dep文件內容和bsp文件的內容：

審核編輯 黃宇