Einführung in die GNU-Toolchain

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1 Einführung in die GNU-Toolchain Michael Schiefer, Christoph Steup Eingebettete Systeme und Betriebssysteme (EOS) Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Sommersemester 2013 Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 1 / 35

2 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 Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 2 / 35

3 GNU-Toolchain I GNU-Toolchain Ziele Erzeugung lauffähiger Programme/Bibliotheken aus Quellcode Architekturunabhängigkeit Abarbeitung aller Schritte autonom ohne Benutzereingriff Tools GNU Make (make) gcc Präprozessor (gcc) gcc Compiler (gcc/g++) GNU Assembler (gas) GNU Linker (ld) Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 3 / 35

4 GNU-Toolchain II GNU-Toolchain *.h Präprozessor *.o C/C++ Compiler *.o Linker prog *.c[c] Assembler GNU Make *.o Makefile Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 4 / 35

5 GNU Make (make) GNU-Toolchain GNU 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=example SOURCES=example. cc a s s e m b l e r. S ${TARGET} : ${SOURCES} ${CXX} ${CFLAGS} $^ o $@ Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 5 / 35

6 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[ s] Optimierungsstufen Wenn nur Teilschritte ausgeführt werden sollen: -c nur Objekt-Code erzeugen -S nur Assembler-Code erzeugen -E nur Präprozessor ausführen Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 6 / 35

7 GNU-Toolchain Präprozessor (gcc/g++) Präprozessor 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 Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 7 / 35

8 GNU Assembler (gas) GNU-Toolchain GNU Assembler Aufruf über gcc: gcc <Datei.S> direkter Aufruf: as <Datei.S> Beispiel - einfache Assembler-Datei. d a t a / Begin d e r D a t e n d e f i n i t i o n / base : / L a b e l / z e r o :. l o n g 0 / 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 / one :. l o n g 1. t e x t / Begin d e s Codes /. g l o b a l r e t u r n 1 / E x t e r n v e r f u e g b a r e Symbole / r e t u r n 1 : / Begin e i n e r F u n k t i o n / mov $base, %ecx movl 4(% e c x ), %eax r e t / R uecksprung / Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 8 / 35

9 GNU Linker (ld) GNU-Toolchain GNU Linker 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 Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 9 / 35

10 GNU Debugger: gdb GNU-Toolchain GNU Debugger 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 Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 10 / 35

11 GNU Debugger II GNU-Toolchain GNU Debugger 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 Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 11 / 35

12 Emulator QEMU GNU-Toolchain QEMU Emulator 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 Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 12 / 35

13 Programmiersprache C / C++ 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 Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 13 / 35

14 Programmiersprache C / C++ 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 Fazit: Wer sich mit Systemprogrammierung beschäftigt, kommt um C/C++ nicht herum! Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 13 / 35

15 Programmiersprache C / C++ Typisierung und Deklaration Datentypen 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 o u t p u t ; o u t p u t = " Test1 " ; Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 14 / 35

16 Programmiersprache C / C++ Basisdatentypen in C Datentypen C kennt folgende Datentypen, Größen für x86-architektur c h a r c ; / 8 Bit, Achtung : standardmaessig s i g n e d / s h o r t s ; / 16 B i t / i n t i ; / 32 B i t / l o n g l ; / 32 B i t / l o n g l o n g l l ; / 64 B i t / f l o a t f ; / 32 Bit, Achtung : i n OOStuBs n i c h t verwenden / d o u b l e d ; / 64 Bit, Achtung : i n OOStuBs n i c h t verwenden / l o n g d o u b l e l d ; / 128 Bit, Achtung : i n OOStuBs n i c h t verwenden / 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 Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 15 / 35

17 Datentyp bool Programmiersprache C / C++ Datentypen Kein expliziter Datentyp bool in ANSI-C Als Erweiterung in C definiert, in C++ Standard implizite Konvertierung (0 = false und 0 true) Beispiel bool i n t t =1; i n t f =0; i n t main ( ) { i f ( 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" ) ; } Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 16 / 35

18 Enumerationen Programmiersprache C / C++ Datentypen 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, I n t e r f a c e, 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 i n d e x ) ; Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 17 / 35

19 Funktionen in C Programmiersprache C / C++ Funktionen 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 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 i n d e x ) ; 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 i n d e x ){ r e t u r n Text [ i n d e x ] ; } Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 18 / 35

20 Programmiersprache C / C++ 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 Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 19 / 35

21 Programmiersprache C / C++ 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 Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 20 / 35

22 Klassendeklaration Programmiersprache C / C++ Klassen und Objekte 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 D a t a P r i n t e r : p u b l i c D a t a P r i n t e r I n t e r f a c e { p r i v a t e : ostream& out ; p u b l i c : v o i d p r i n t O n e ( ) ; } ; Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 21 / 35

23 Programmiersprache C / C++ Zugriff auf Felder und Methoden Klassen und Objekte Objekte verwenden den Operator. (Punkt) Objektzeiger verwenden den Operator -> (Pfeil) Aktuelles Objekt spricht Felder/Methoden direkt an Alternativer Zugriff mit this-zeiger Beispiel - Zugriff ostream& DataPrinter : : o p e r a t o r <<(Data &d ){ out << d. s << e n d l ; } v o i d D a t a P r i n t e r : : p r i n t O n e ( ) { t h i s >out << " one : " << r e t u r n 1 ( ) << e n d l ; } Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 22 / 35

24 Programmiersprache C / C++ Strukturen und Unions Klassen und Objekte struct union 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 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 Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 23 / 35

25 Programmiersprache C / C++ Beispiel: Strukturen und Unions Klassen und Objekte Beispiel - struct s t r u c t Data { s t r i n g s ; } ; Beispiel - union u n i o n DataUnion { Data data ; c o n s t v o i d p t r ; } ; Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 24 / 35

26 Programmiersprache C / C++ Überladen von Operatoren Objekt-Orientierung 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 D a t a P r i n t e r : p u b l i c D a t a P r i n t e r I n t e r f a c e { p u b l i c : 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 ) ; } ; Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 25 / 35

27 typedef Programmiersprache C / C++ Operationen auf Typen Verwendung: typedef <Definition> <Typenname> Umbenennen von Datentype Definition eigener Datentypen Beispiel - typedef t y p e d e f c o n s t c h a r s t r i n g ; Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 26 / 35

28 Casts Programmiersprache C / C++ Operationen auf Typen 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 s t r i n g o u t p u t ; 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 ) ; Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 27 / 35

29 Programmiersprache C / C++ Zeiger und Referenzen Zeiger und Referenzen Achtung Grund: Eine der wichtigsten Fehlerquellen in C/C++ sind Zeiger! Unkontrollierter Zugriff auf beliebige Speicherstellen Programmabbruch durch das Betriebssystem (gut!) Überschreiben beliebiger Daten (schlecht!) Fehler durch falsche Zeiger sind oft sehr schwer zu finden Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 28 / 35

30 Beispiele Programmiersprache C / C++ Zeiger und Referenzen int *p 255 int **p 255 char name[] H a l l o int argc 4 r m char **argv - r f Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 29 / 35

31 Literatur I Literatur Kyle Loudan and Matthias Kalle Dalheimer. C++ kurz und gut. O Reilly, Scott Meyers. Effective C++. Addison-Wesley, Bjarne Stroustrup. Die C++ Programmiersprache. Addison-Wesley, Jürgen Wolf. C von A bis Z. Galileo Press, 2 edition, Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 30 / 35

32 Anhang Beispiel Projekt: Makefile und Assembler-Code Makefile TARGET=example SOURCES=example. cc a s s e m b l e r. S ${TARGET} : ${SOURCES} ${CXX} ${CFLAGS} $^ o $@ Assembler Code (assembler.s). d a t a / Begin d e r D a t e n d e f i n i t i o n / base : / L a b e l / z e r o :. l o n g 0 / 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 / one :. l o n g 1. t e x t / Begin d e s Codes /. g l o b a l r e t u r n 1 / E x t e r n v e r f u e g b a r e Symbole / r e t u r n 1 : / Begin e i n e r F u n k t i o n / mov $base, %ecx movl 4(% e c x ), %eax r e t / R uecksprung / Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 31 / 35

33 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 > u s i n g s t d : : c o u t ; u s i n g s t d : : hex ; u s i n g s t d : : e n d l ; u s i n g s t d : : o s t r e a m ; t y p e d e f c o n s t c h a r s t r i n g ; enum T e x t I n d i c e s { Object, I n t e r f a c e, 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 i n d e x ) ; s t r u c t Data { s t r i n g s ; } ; Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 32 / 35

34 Anhang Beispiel Projekt: example.h II u n i o n DataUnion { Data data ; c o n s t v o i d p t r ; } ; c l a s s D a t a P r i n t e r I n t e r f a c e { p u b l i c : v i r t u a l ~ D a t a P r i n t e r I n t e r f a c e ( ) ; 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 D a t a P r i n t e r : p u b l i c D a t a P r i n t e r I n t e r f a c e { p r i v a t e : ostream& out ; p u b l i c : D a t a P r i n t e r ( ) ; v i r t u a l ~ D a t a P r i n t e r ( ) ; v o i d p r i n t O n e ( ) ; 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 i n t r e t u r n 1 ( ) ; #e n d i f Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 33 / 35

35 Anhang Beispiel Projekt: example.cc I #i n c l u d e " example. h" s t a t i c c o n s t c h a r Text [ ]={ "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 i n d e x ){ r e t u r n Text [ i n d e x ] ; } D a t a P r i n t e r : : D a t a P r i n t e r ( ) : D a t a P r i n t e r I n t e r f a c e ( ), out ( c o u t ){ } D a t a P r i n t e r : : ~ D a t a P r i n t e r ( ) { const char t e x t = ( const char ) gettext ( Object ) ; c o u t << t e x t << e n d l ; } D a t a P r i n t e r I n t e r f a c e : : ~ D a t a P r i n t e r I n t e r f a c e ( ) { c o u t << ( Text+I n t e r f a c e ) << e n d l ; } ostream& DataPrinter : : o p e r a t o r <<(Data &d ){ out << d. s << e n d l ; } ostream& D a t a P r i n t e r : : operator <<( const v o i d a d d r e s s ){ out << hex << address << endl ; } Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 34 / 35

36 Anhang Beispiel Projekt: example.cc II v o i d D a t a P r i n t e r : : p r i n t O n e ( ) { t h i s >out << " one : " << r e t u r n 1 ( ) << e n d l ; } s t r i n g o u t p u t ; 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 ( ) { D a t a P r i n t e r p r i n t ; o u t p u t = " 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 ( Test2 ) ) ; c o u t << "&(" << o u t p u t << " ) : " << p t r << e n d l ; } r e t u r n 0 ; Schiefer, Steup OvGU Magdeburg IVS-EOS Einführung in die GNU-Toolchain SS13 35 / 35