这篇文章为本人结合网上教程，自行探索，如有错误敬请谅解

在Linux STM32初体验一文中，我们已经成功准备好了GCC的编译环境、StLink的烧录环境，已经可以来搭建一个工程了。
而为了实现自动化构建项目，我们也应该学会使用 Make 和 Makefile ，理解它的语法和用法，并亲手进行实践。囿于篇幅，推荐通过陈皓的跟我一起写Makefile来学习Makefile。

目录结构

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├── Algorithm（算法源码）
│      ├── PID
│      │      ├── pid.c
│      │      └── pid.h
│      ├── .....
│      └── IMU
│              ├── imu.c
│              └── imu.h
├── Drivers（底层驱动源码）
│      ├── ADC
│      ├── .....
│      └── WDG
├── Libraries（官方开发库）
│      ├── CMSIS
│      │      ├── startup
│      │      │      └── gcc
│      │      │              └── startup_stm32f10x_hd
│      │      ├── cmsis_gcc.h
│      │      ├── core_cm3.c
│      │      ├── .....
│      │      └── mpu_ramv8.h
│      ├── CORE
│      │      ├── stm32f10x_conf.h
│      │      ├── stm32f10x_it.c
│      │      ├── stm32f10x_it.h
│      │      ├── stm32f10x.h
│      │      ├── system_stm32f10x.c
│      │      └── system_stm32f10x.h
│      └── STM32F10x_FWLib
│              ├── inc
│              │      └── ...
│              └── src
│                      └── ...
├── Modules（外设模块源码）
│      ├── HCSR04
│      ├── .....
│      └── SG90
├── Project（构建成功文件）
│      ├── Build
│      │      ├── template.bin
│      │      └── template.hex
│      └── stm32f1xx_flash.ld
├── src（工程核心源码）
│      └── main.c
└── Makefile
  • Algorithm
    该目录下存放有嵌入式算法的源码，其中包含IMU融合算法、PID控制算法等等顶层代码。
  • Drivers
    该目录下存放的是硬件驱动层源码，为STM32的底层驱动的源码。
  • Libraries
    该目录下存放的是STM32官方开发库的相关内容，其中CMSIS子目录下包含有STM32内核源码、硬件寄存器和中断定义源码以及启动汇编源码等，CMSIS子目录下包含有STM32工程头文件引用、中断函数定义和中断函数实现等源码，FWLib子目录下包含有STM32提供的官方固件库源码。
  • Modules
    该目录下存放的是所有外设模块层中的源码。
  • Project
    该目录下主要存放根据Makefile中所定义的规则，工程在被成功编译之后还会在本目录下生成.hex和.bin等可供烧写的文件。以及Obj文件夹存放着编译生成的.o中间文件。
  • src
    该目录下存放的是工程的main.c 工程主源码文件。

Makefile详解

根据工程目录结构，我们可以编写工程的Makefile文件。

Makefile 示例

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PROJECT := template

MCU     := cortex-m3

BUILD_DIR = Project/Build
OBJ_DIR   = Project/Build/Obj

DDEFS   += -DSTM32F10X_HD
DDEFS   += -DUSE_STDPERIPH_DRIVER

DIR_DRIVERS += ./Drivers/ADC/
DIR_DRIVERS += ./Drivers/EXTI/
DIR_DRIVERS += ./Drivers/DAC/
DIR_DRIVERS += ./Drivers/ITEMP/
DIR_DRIVERS += ./Drivers/KEY/
DIR_DRIVERS += ./Drivers/LED/
DIR_DRIVERS += ./Drivers/PWM/
DIR_DRIVERS += ./Drivers/RTC/
DIR_DRIVERS += ./Drivers/TIMER/
DIR_DRIVERS += ./Drivers/WDG/
DIR_DRIVERS += ./Drivers/SYSTEM/delay/
DIR_DRIVERS += ./Drivers/SYSTEM/sys/
DIR_DRIVERS += ./Drivers/SYSTEM/usart/

DIR_MODULES += ./Modules/HCSR04/
DIR_MODULES += ./Modules/SG90/
DIR_MODULES += ./Modules/ENCODER/

DIR_ALGORITHM += 

LINK_SCRIPT := ./Project/stm32f1xx_flash.ld

SRC_ASM     := ./Libraries/CMSIS/startup/gcc/startup_stm32f10x_hd.s

CC_PREFIX := arm-none-eabi-
st-link   := st-flash
###############################################################################

SRC_C   += $(wildcard ./Libraries/CMSIS/*.c)
SRC_C   += $(wildcard ./Libraries/CORE/*.c)
SRC_C   += $(wildcard ./Libraries/STM32F10x_FWLib/src/*.c)
SRC_C   += $(wildcard $(addsuffix *.c, $(DIR_DRIVERS)))
SRC_C   += $(wildcard $(addsuffix *.c, $(DIR_MODULES)))
SRC_C   += $(wildcard $(addsuffix *.c, $(DIR_ALGORITHM)))
SRC_C   += $(wildcard ./src/*.c)

INCDIR  += -I./Libraries/CMSIS/ \
        -I./Libraries/CORE/ \
        -I./Libraries/STM32F10x_FWLib/inc/ \
        $(addprefix -I, $(DIR_DRIVERS)) \
        $(addprefix -I, $(DIR_MODULES)) \
        $(addprefix -I, $(DIR_ALGORITHM)) \
        -I./src/ \


CC   := $(CC_PREFIX)gcc
CXX  := $(CC_PREFIX)g++
CP   := $(CC_PREFIX)objcopy
GDB  := $(CC_PREFIX)gdb
SIZE := $(CC_PREFIX)size
AS   := $(CC) -x assembler-with-cpp
HEX  := $(CP) -O ihex
BIN  := $(CP) -O binary -S

OPT   += -Os
OPT   += -fsingle-precision-constant
OPT   += -fno-common
OPT   += -ffunction-sections
OPT   += -fdata-sections


DEFS := $(DDEFS) -DRUN_FROM_FLASH=1

FLAGS_MCU := -mcpu=$(MCU)
FLAGS_AS  := $(FLAGS_MCU) $(OPT) -g -gdwarf-2 -mthumb
FLAGS_C   := -std=c11 -xc $(FLAGS_MCU) $(OPT) -mthumb -g -Wl,-u_printf_float \
             -Wall -fverbose-asm -fomit-frame-pointer $(DEFS)
FLAGS_CXX := -std=c++11 -xc++ $(FLAGS_MCU) $(OPT)  \
             -gdwarf-2 -mthumb -Wl,-u_printf_float -ffunction-sections -fdata-sections \
             -fomit-frame-pointer -Wall -g -fverbose-asm -fno-exceptions \
             -fno-rtti -fno-threadsafe-statics -fvisibility=hidden $(DEFS)

FLAGS_LD  := $(FLAGS_MCU) $(OPT) -lm -g -gdwarf-2 -mthumb  \
             --specs=nosys.specs --specs=nano.specs -Wl,-u_printf_float -Wl,--print-memory-usage \
             -Wl,--gc-sections -T$(LINK_SCRIPT) \
             -Wl,-Map=$(OBJ_DIR)/$(PROJECT).map,--cref,--no-warn-mismatch \

OBJS = $(addprefix $(OBJ_DIR)/,$(notdir $(SRC_C:.c=.o))) $(addprefix $(OBJ_DIR)/,$(notdir $(SRC_ASM:.s=.o)))


vpath %.c $(sort $(dir $(SRC_C)))
vpath %.s $(sort $(dir $(SRC_ASM)))



TYPE_BURN  := stlink_swd_flash
TYPE_DEBUG := openocd_stlink_debug
TYPE_ERASE := stlink_swd_erase

###############################################################################

.PHONY: all flash debug erase clean distclean

all: $(OBJS) $(BUILD_DIR)/$(PROJECT).elf $(BUILD_DIR)/$(PROJECT).hex $(BUILD_DIR)/$(PROJECT).bin
	@$(SIZE) $(BUILD_DIR)/$(PROJECT).elf


$(OBJ_DIR)/%.d: %.c Makefile │$(OBJ_DIR)
	@set -e; rm -f $@; \
	$(CC) -M $(FLAGS_C) $< > $@.$$$$; \
	sed 's,\($*\)\.o[ :]*,\1.o $@ : ,g' < $@.$$$$ > $@;
#	 rm -f $@.$$$$


$(OBJ_DIR)/%.o: %.c Makefile │$(OBJ_DIR)
	@$(CC) -c $(FLAGS_C) $(INCDIR)  $< -o $@
	@echo "Compile $<"


$(OBJ_DIR)/%.o: %.s Makefile │$(OBJ_DIR)
	@$(AS) -c $(FLAGS_AS) $< -o $@


$(BUILD_DIR)/$(PROJECT).elf: $(OBJS) Makefile
	@$(CC) $(OBJS) $(FLAGS_LD) -o $@


$(BUILD_DIR)/%.hex: $(BUILD_DIR)/%.elf │$(BUILD_DIR)
	@$(HEX) $< $@

$(BUILD_DIR)/%.bin: $(BUILD_DIR)/%.elf │$(BUILD_DIR)
	@$(BIN) $< $@   

$(OBJ_DIR) $(BUILD_DIR):
	@-mkdir $(BUILD_DIR)
	@-mkdir $(OBJ_DIR)

###############################################################################

# 调试器定义
flash:  $(TYPE_BURN)
# debug: $(TYPE_DEBUG)
erase: $(TYPE_ERASE)


stlink_swd_flash: $(BUILD_DIR)/$(PROJECT).hex
	$(st-link) --format ihex write $(BUILD_DIR)/$(PROJECT).hex

# # 调试命令
openocd_stlink_debug: $(BUILD_DIR)/$(PROJECT).elf
	openocd -f interface/stlink.cfg  -f target/stm32f1x.cfg -c init \
	-c halt -c "flash write_image erase $(BUILD_DIR)/$(PROJECT).elf" -c reset & \
	$(GDB) --eval-command="target extended-remote localhost:3333" $(BUILD_DIR)/$(PROJECT).elf


stlink_swd_erase: 
	$(st-link) --reset erase

###############################################################################

clean:
	@echo "删除中间文件...."
	@-rm -fR $(OBJ_DIR)

distclean:
	@echo "删除全部文件...."
	@-rm -fR $(BUILD_DIR)
	@-rm -fR $(OBJ_DIR)

详解

工程配置

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# 工程名
PROJECT := template
# CPU类型
MCU     := cortex-m3
# 生成目录
BUILD_DIR = Project/Build
OBJ_DIR   = Project/Build/Obj
# 编译宏定义
DDEFS   += -DSTM32F10X_HD
DDEFS   += -DUSE_STDPERIPH_DRIVER
# 链接脚本
LINK_SCRIPT := ./Project/stm32f1xx_flash.ld
# 启动文件
SRC_ASM     := ./Libraries/CMSIS/startup/gcc/startup_stm32f10x_hd.s
# 编译工具 烧录工具 
CC_PREFIX := arm-none-eabi-
st-link   := st-flash

根据注释进行配置即可

目录引用

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# 工程所需目录
DIR_DRIVERS += ./Drivers/ADC/
....
DIR_DRIVERS += ./Drivers/SYSTEM/usart/

DIR_MODULES += ./Modules/HCSR04/

DIR_ALGORITHM += 
INCDIR  += -I./Libraries/CMSIS/ \
        -I./Libraries/CORE/ \
        -I./Libraries/STM32F10x_FWLib/inc/ \
        $(addprefix -I, $(DIR_DRIVERS)) \
        $(addprefix -I, $(DIR_MODULES)) \
        $(addprefix -I, $(DIR_ALGORITHM)) \
        -I./src/ \

DIR_DRIVERS、DIR_MODULES 和 DIR_ALGORITHM 三个变量是工程中需要使用的底层驱动、外设及算法。
INCDIR 的作用是为了获取工程目录中的.h头文件.

源文件搜索

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SRC_C   += $(wildcard ./Libraries/CMSIS/*.c)
SRC_C   += $(wildcard ./Libraries/CORE/*.c)
SRC_C   += $(wildcard ./Libraries/STM32F10x_FWLib/src/*.c)
SRC_C   += $(wildcard $(addsuffix *.c, $(DIR_DRIVERS)))
SRC_C   += $(wildcard $(addsuffix *.c, $(DIR_MODULES)))
SRC_C   += $(wildcard $(addsuffix *.c, $(DIR_ALGORITHM)))
SRC_C   += $(wildcard ./src/*.c)

OBJS = $(addprefix $(OBJ_DIR)/,$(notdir $(SRC_C:.c=.o))) $(addprefix $(OBJ_DIR)/,$(notdir $(SRC_ASM:.s=.o)))


vpath %.c $(sort $(dir $(SRC_C)))
vpath %.s $(sort $(dir $(SRC_ASM)))

$(wildcard $(addsuffix *.c, $(DIR_DRIVERS)))函数的含义是首先在DIR_DRIVERS变量的后边添加.c后缀，然后再调用wildcard函数获取其中的所有.c源文件。
因此，SRC_C 和 SCR_ASM 这两个变量用于分别存储C源码和汇编文件。

$(notdir $(C_SOURCES:.c=.o))函数是将源文件集中所有c文件的后缀替换成o文件，并去除所有路径信息.
addprefix函数则将将无路径的o文件集（字符串）添加制定路径前缀信息，生成最终的目标obj文件的路径和名称集合。
因此，OBJS变量用于存储所有通过.c和.s源文件生成的中间目标文件(.o)。

在接着，通过$(sort $(dir $(C_SOURCES)))函数指定C文件和汇编文件的搜索路径.

编译器

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CC_PREFIX := arm-none-eabi-

CC        := $(CC_PREFIX)gcc
CXX       := $(CC_PREFIX)g++
CP        := $(CC_PREFIX)objcopy
GDB       := $(CC_PREFIX)gdb
SIZE      := $(CC_PREFIX)size
AS        := $(CC) -x assembler-with-cpp
HEX       := $(CP) -O ihex
BIN       := $(CP) -O binary -S

这些变量为ARM-GCC编译器相关可执行程序。

编译选项

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MCU     := cortex-m3
# 编译宏定义
DDEFS   += -DSTM32F10X_HD
DDEFS   += -DUSE_STDPERIPH_DRIVER
# OPT(Optimization)变量用于表示 编译优化 方面的选项
# 只优化程序代码，不优化符号
OPT   += -Os
# 单精度常量
OPT   += -fsingle-precision-constant
# 禁止使用共同体
OPT   += -fno-common
# 将函数放在独立的段中
OPT   += -ffunction-sections
OPT   += -fdata-sections
# 指定程序从硬件的FLASH中开始运行
DEFS := $(DDEFS) -DRUN_FROM_FLASH=1

DDEFS 和 DEFS 变量是ARM-GCC编译器的预处理宏定义，用于将指定的功能编译到可执行程序中。
MCU 变量表示当前工程所用芯片的架构。
OPT(Optimization)变量用于表示 编译优化 方面的选项。

编译标签

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FLAGS_MCU := -mcpu=$(MCU)
FLAGS_AS  := $(FLAGS_MCU) $(OPT) -g -gdwarf-2 -mthumb
FLAGS_C   := -std=c11 -xc $(FLAGS_MCU) $(OPT) -mthumb -g -Wl,-u_printf_float \
             -Wall -fverbose-asm $(DEFS)
FLAGS_CXX := -std=c++11 -xc++ $(FLAGS_MCU) $(OPT)  \
             -gdwarf-2 -mthumb -Wl,-u_printf_float -ffunction-sections -fdata-sections \
             -fomit-frame-pointer -Wall -g -fverbose-asm -fno-exceptions \
             -fno-rtti -fno-threadsafe-statics -fvisibility=hidden $(DEFS)

FLAGS_LD  := $(FLAGS_MCU) $(OPT) -lm -g -gdwarf-2 -mthumb  \
             --specs=nosys.specs --specs=nano.specs -Wl,-u_printf_float -Wl,--print-memory-usage \
             -Wl,--gc-sections -T$(LINK_SCRIPT) \
             -Wl,-Map=$(OBJ_DIR)/$(PROJECT).map,--cref,--no-warn-mismatch \

这些变量都是编译标签，具体含义可参考GCC文档。
列出一些常用的标签含义：

  • -fomit-frame-pointer
    减少了栈帧的切换和栈地址的保存，可提高程序性能
  • -fverbose-asm
    在生成的汇编代码中加入额外的注释信息来使汇编代码更具可读性
  • -specs=nano.specs
    使用精简版C库 ，
  • -T$(LINK_SCRIPT)
    依赖的可执行文件链接脚本，即链接脚本
  • -Wl,-Map=(OBJDIR)/(OBJ_DIR)/(PROJECT).map,–cref
    生成map文件
  • -Wl,–gc-sections
    链接使用的分段方式，需要配合C文件/汇编生成obj的时候同样选型分段方式。
  • -Wl,-u_printf_float -Wl,–print-memory-usage
    串口打印时打印出浮点数

总结

至此，一个完整的Makefile函数便完成了。
你可以在终端输入make来编译生成hex文件，
输入make flash来烧写固件；
输入make distclean来清除全部文件…

尾声

总是想记录些什么，却又不知道要怎么写。在实验室的这些天，我不知道要做些什么，要学些什么，反而将大把时间放在了研究GCC编译STM32之上。
我并不是很确认，这是否有什么意义。但是在这个过程中，我已然初步掌握了其编译原理，学会了调试编译参数来生成不同固件。

就像上海交通大学生存手册中所说的那样“国内绝大部分大学的本科教学，不是濒临崩溃，而是早已崩溃”，这种闭源编译器垄断的学习模式是否正确，我无法评判，也没能力评判。
因stm32的gcc编译教程实在是少，便写两篇文章来记录下，也希望能让看到这些文章的人少走些歪路。