嵌入式系统的轻量级C库—PicoLibC

原文链接:PicoLibC is a Lightweight C library for Embedded Systems 由Siji Sunny撰写。

2019年9月底,知名开发者 Keith Packard通过他的博客宣布推出了“picolibc”。Picolibc 是一种适用于小型微控制器嵌入式系统的C标准库,该库的API甚至允许在低内存 (RAM) 设备中运行。picolibc其实是“newlib-nano”的升级版本,这个升级版本有一些有趣的变化,比如:用从avrlibc采用 ATMEL 特定的 printf 代码替换“stdio”库。作为这个库的一部分,Keith 还推出了 picocrt,它负责在调用自己的 C 程序主函数之前初始化内存和调用各种构造函数。

特征

  • picolibc 是 newlibc 的修订版,它没有成熟的 stdio lib,使用的是avrlibc 的轻量级 stdio lib,更适合低内存嵌入式设备。
  • Meson 构建系统简化了针对各种目标平台和硬件 picolibc 源代码树的构建过程。
  • 使用 Glibc 作为参考更新了数学测试套件
  • 该库是 BSD 许可的,非 BSD 组件已从源代码树中删除
  • picocrt-picolibc 启动代码,无需编写自己的代码即可初始化嵌入式系统,这可以通过在编译时使用-specs= picolibc.specs来启用
  • 使用内置的线程本地存储 (TLS),它有几个优点:
    • 源代码更简单,因为线程局部变量可以通过名称直接访问
    • 线程本地存储仅包含应用程序使用的值
    • 生成的代码更小更快

开始使用 picolibc

Picolibc 使用meson构建系统在 GCC 的 Linux 主机上为各种硬件平台编译源代码树。除了默认参数外,该库还允许构建多个属性,通过使用属性行“-D=”来启用和禁用各种功能。

即使 Picolibc 在来自 avrlibc 的小型 stdio 库上运行,用户也可以选择使用属性 (newlib-tinystdio=false) 来启用旧的 newlibc stdio 库。默认情况下,它会是 newlib-tinystdio=true,这意味着它将使用基于 avrlibc 的小型 stdio 进行编译。

在开始构建 picolibc 之前,你们记得要确保meson构建系统是构建环境的一部分,具体请参阅meson设置说明

作为meson标准,交叉编译构建的所有构建配置都是单独配置文件的一部分,也是源代码树的一部分。下面是各种构建环境的示例配置文件。

RISC-V 的配置文件(cross-riscv32 -unknown -elf.txt)

使用meson编译 picolibc 源代码树

源码树本身提供了用于各种架构的配置脚本,包括riscv、arm、x86等。下面是我列出的针对 arm的示例编译脚本。


一旦你们准备好meson和所需的交叉编译器 gcc lib 环境,请按照以下步骤构建具有特定目标(用于 arm)的 picolibc。我的测试构建环境是 ubuntu 18.04。

安装meson

安装交叉编译器 GCC(用于arm)

编译和构建 picolibc


成功构建后,你们可以通过在构建文件夹的“test”目录中运行 printf 和 scanf 的示例测试用例应用程序进行验证。

PicolibC

Picolibc 代码编译过程

Picolibc 使用GCC.spec文件来编译源代码,这会使得设置系统头文件的路径和链接器指向 Picolibc。下面是编译单个文件并生成 a.o 文件的示例:

Picocrt (picolibc.specs)—启动代码

Picocrt 是 picolib 的一部分,名为 crt0.o,在使用 -specs= picolibc.specs时默认是启用的。Picocrt 启用初始化步骤,包括如下

  • 特定于架构的运行时初始化
  • 数据初始化,参考负责处理数据初始化picocrt 的代码片段

  • __data_start 指向 .data 段开始的 RAM 位置
  • __data_source 指向存储.data 段初始化值的flash位置
  • __data_size 是一个绝对符号,表示初始化数据段的大小
  • BSS 初始化,参考 picocrt 的代码片段,它处理数据初始化

  • __bss_start 指向 .bss 段开始的 RAM 位置
  • __bss_size 是一个绝对符号,表示已清除数据段的大小
  • Picolibc 中的 __libc_init_array 和 __libc_fini_array 函数在应用程序启动和关闭期间由 Picocrt 调用,具体如下所示(__libc_init_array() (AppStart) —> main() —> –libc_fini_array() (App Stop))

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