嵌入式系统的轻量级C库—PicoLibC

Jacob Li 李顺

3年前

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的设置说明。

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）

[binaries]
c = 'riscv64-unknown-elf-gcc'
ar = 'riscv64-unknown-elf-ar'
as = 'riscv64-unknown-elf-as'
ld = 'riscv64-unknown-elf-ld'
strip = 'riscv64-unknown-elf-strip'
 
[host_machine]
system = 'unknown'
cpu_family = 'riscv'
cpu = 'riscv'
endian = 'little'

[binaries]

c = 'riscv64-unknown-elf-gcc'

ar = 'riscv64-unknown-elf-ar'

as = 'riscv64-unknown-elf-as'

ld = 'riscv64-unknown-elf-ld'

strip = 'riscv64-unknown-elf-strip'

[host_machine]

system = 'unknown'

cpu_family = 'riscv'

cpu = 'riscv'

endian = 'little'

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。

#!/bin/sh
ARCH=arm-none-eabi
DIR=`dirname $0`
meson "$DIR" \
-Dincludedir=picolibc/$ARCH/include \
-Dlibdir=picolibc/$ARCH/lib \
--cross-file "$DIR"/cross-$ARCH.txt \
"$@"

#!/bin/sh

ARCH=arm-none-eabi

DIR=`dirname $0`

meson "$DIR" \

-Dincludedir=picolibc/$ARCH/include \

-Dlibdir=picolibc/$ARCH/lib \

--cross-file "$DIR"/cross-$ARCH.txt \

"$@"

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

$ sudo apt-get install  python3 python3-pip python3-setuptools python3-wheels ninja-build
$ pip install --user meson

1 2	$ sudo apt-get install python3 python3-pip python3-setuptools python3-wheels ninja-build $ pip install --user meson

安装交叉编译器 GCC（用于arm）

$ sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi

1	$ sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi

编译和构建 picolibc

$ mkdir build_picolibc_arm
$ cd build_picolibc_arm
$ ~/picolibc/do-arm-configure  (define your binary file path, which will be part of the picolibc source tree)
$ ninja
$ sudo ninja install

$ mkdir build_picolibc_arm

$ cd build_picolibc_arm

$ ~/picolibc/do-arm-configure (define your binary file path, which will be part of the picolibc source tree)

$ ninja

$ sudo ninja install

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 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：

$ gcc -specs=picolibc.specs -c test.c

1	$ gcc -specs=picolibc.specs -c test.c

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

memcpy(__data_start, __data_source, (uintptr_t) __data_size);

1	memcpy(__data_start, __data_source, (uintptr_t) __data_size);

__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

memset(__bss_start, '\0', (uintptr_t) __bss_size);

1	memset(__bss_start, '\0', (uintptr_t) __bss_size);

__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)）

小标题：参考