交叉编译工具链介绍

基本概念

什么是交叉编译

• 交叉编译可以理解为&＃xff0c;在当前编译平台下&＃xff0c;编译出来的程序能运行在体系结构不同的另一种目标平台上&＃xff0c;但是编译平台本身却不能运行该程序。
• 比如&＃xff0c;我们在 x86 平台上&＃xff0c;编写程序并编译成能运行在 ARM 平台的程序&＃xff0c;编译得到的程序在 x86 平台上是不能运行的&＃xff0c;必须放到 ARM 平台上才能运行。
• 交叉编译链就是为了编译跨平台体系结构的程序代码而形成的由多个子工具构成的一套完整的工具集。同时&＃xff0c;它隐藏了预处理、编译、汇编、链接等细节&＃xff0c;当我们指定了源文件(.c)时&＃xff0c;它会自动按照编译流程调用不同的子工具&＃xff0c;自动生成最终的二进制程序映像(.bin)。

为什么要交叉编译

• 速度&＃xff08;Speed&＃xff09;&＃xff1a; 目标平台的运行速度往往比主机慢得多&＃xff0c;许多专用的嵌入式硬件被设计为低成本和低功耗&＃xff0c;没有太高的性能。
• 能力&＃xff08;Capability&＃xff09;&＃xff1a; 整个编译过程是非常消耗资源的&＃xff0c;嵌入式系统往往没有足够的内存或磁盘空间
• 可用性&＃xff08;Availability&＃xff09;&＃xff1a; 即使目标平台资源很充足&＃xff0c;可以本地编译&＃xff0c;但是第一个在目标平台上运行的本地编译器总需要通过交叉编译获得
• 灵活性&＃xff08;Flexibility&＃xff09;&＃xff1a; 一个完整的Linux编译环境需要很多支持包&＃xff0c;交叉编译使我们不需要花时间将各种支持包移植到目标板上
• 便利性&＃xff08;Convenience &＃xff09;&＃xff1a;无头盒子的用户界面有点局促。诊断构建中断已经足够令人沮丧了。从CD安装到没有CD-ROM驱动器的机器上是一件痛苦的事。在测试环境和开发环境之间来回重新启动很快就过时了&＃xff0c;而且能够从意外的全局化测试系统中恢复过来是件好事。

为什么交叉编译比较困难

1.可移植的本机编译很困难

大多数的程序是在x86硬件上开发的&＃xff0c;它们是在本地编译的。这意味着进行交叉编译会遇到两种类型的问题&＃xff1a;程序本身的问题和构建系统的问题。
第一种类型的问题会影响所有非x86的目标&＃xff0c;无论是针对本机还是针对交叉构建。大多数程序都会对其运行的机器类型做出配置&＃xff0c;这些配置必须与所讨论的平台相匹配&＃xff0c;否则该程序将无法运行。常见的配置包括&＃xff1a;

• 字长&＃xff08;Word size&＃xff09;&＃xff1a; 将指针复制到int可能会在64位平台上丢失数据&＃xff0c;并且通过乘以4而不是sizeof&＃xff08;long&＃xff09;来确定malloc的大小也不是很好。也可能由于整数溢出而产生细微的安全漏洞&＃xff0c;例如“ if&＃xff08;x&＃xff08;y &＃43; x
• 字节序&＃xff08;Endianness&＃xff09;&＃xff1a; 不同的系统以不同的方式迭代地存储二进制数据&＃xff0c;这意味着从磁盘或网络中读取整数或浮点数据的块可能需要转换。键入“ man字节序”以获取详细信息。
• 对齐方式&＃xff08;Alignment&＃xff09;&＃xff1a;某些平台&＃xff08;例如arm&＃xff09;只能从4字节的偶数倍的地址读取或写入int&＃xff0c;否则会出现段错误。即使是能够处理任意对齐方式的数据&＃xff0c;处理未对齐数据的速度也较慢&＃xff08;它们必须取两次才能得到一半&＃xff09;&＃xff0c;因此编译器通常会填充结构以对齐变量。因此&＃xff0c;将结构视为可以发送到磁盘或通过网络发送的大量数据&＃xff0c;需要额外的工作以确保表示的一致性。
• 默认参数&＃xff08;Default signedness&＃xff09; &＃xff1a;不同平台之间“ char”数据类型默认为带符号还是无符号&＃xff08;在某些情况下&＃xff0c;随编译器的不同而不同&＃xff09;&＃xff0c;这可能会导致一些令人惊讶的错误。一个简单的解决方法是提供一个编译器参数&＃xff0c;例如“ -funsigned-char”&＃xff0c;以将默认值强制为已知值。
• 没有内存管理单元&＃xff08;NOMMU&＃xff09; &＃xff1a;如果您的目标平台没有内存管理单元&＃xff0c;则需要进行一些更改。您需要vfork&＃xff08;&＃xff09;而不是fork&＃xff08;&＃xff09;&＃xff0c;只有某些类型的mmap&＃xff08;&＃xff09;可以工作&＃xff08;共享或只读&＃xff0c;但不能在写入时进行复制&＃xff09;&＃xff0c;并且堆栈不会动态增长。

2.交叉编译很困难

• 配置问题&＃xff08;Configuration issues&＃xff09;&＃xff1a;具有单独配置步骤&＃xff08;标准configure / make / make安装的“ ./configure”部分&＃xff09;的软件包通常会测试字节序或页面大小等内容&＃xff0c;以便在本地编译时可移植。交叉编译时&＃xff0c;主机系统和目标系统之间的这些值会有所不同&＃xff0c;因此在主机系统上运行测试会给出错误的答案。当目标没有该软件包或版本不兼容时&＃xff0c;配置还可以检测主机上是否存在软件包&＃xff0c;并包括对此软件包的支持。
• 主机vs目标&＃xff08;HOSTCC vs TARGETCC&＃xff09;&＃xff1a;许多构建过程需要编译内容才能在主机系统上运行&＃xff0c;例如上述配置测试或生成代码的程序&＃xff08;例如创建.h文件的C程序&＃xff0c;然后在主构建过程中#include &＃xff09;。仅用目标编译器替换主机编译器就会破坏需要构建在构建本身中运行的事物的软件包。这样的软件包需要访问主机和目标编译器&＃xff0c;并且需要教导何时使用每个软件包。
• 工具链泄漏&＃xff08;Toolchain Leaks&＃xff09;&＃xff1a;配置不正确的交叉编译工具链可能会将主机系统的某些位泄漏到已编译的程序中&＃xff0c;从而导致通常易于检测但难以诊断和纠正的故障。工具链可能#include错误的头文件&＃xff0c;或在链接时搜索错误的库路径。共享库通常依赖于其他共享库&＃xff0c;这些共享库也可能潜入对主机系统的意外链接时引用。
• 库&＃xff08;Libraries&＃xff09;&＃xff1a; 动态链接的程序必须在编译时访问适当的共享库。需要将与目标系统共享的库添加到交叉编译工具链中&＃xff0c;以便程序可以针对它们进行链接。
• 测试&＃xff08;Testing&＃xff09;&＃xff1a;在本机版本上&＃xff0c;开发系统提供了便利的测试环境。交叉编译时&＃xff0c;确认成功构建的“ hello world”可能需要配置&＃xff08;至少&＃xff09;引导加载程序&＃xff0c;内核&＃xff0c;根文件系统和共享库。

工具链介绍

交叉编译工具Linaro简介

Linaro&＃xff0c;一间非营利性质的开放源代码软件工程公司&＃xff0c;主要的目标在于开发不同半导体公司系统单芯片&＃xff08;SoC&＃xff09;平台的共通软件&＃xff0c;以促进消费者及厂商的福祉。针对于各个成员推出的 ARM系统单芯片&＃xff08;SoC&＃xff09;&＃xff0c;它开发了ARM开发工具、Linux内核以及Linux发行版&＃xff08;包括 Android 及 Ubuntu&＃xff09;的主要自动建构系统。

工具链下载地址

gcc-linaro&＃xff1a;在binaries目录下包含了不同版本以及不同类型的工具链&＃xff0c;要根据自己已有的芯片类型进行正确的选择下载。

交叉编译链的一般命名规则

arch-core-kernel-system

• arch&＃xff1a; 用于哪个目标平台。
• core&＃xff1a; 使用的是哪个CPU Core&＃xff0c;如Cortex A8&＃xff0c;但是这一组命名好像比较灵活&＃xff0c;在其它厂家提供的交叉编译链中&＃xff0c;有以厂家名称命名的&＃xff0c;也有以开发板命名的&＃xff0c;或者直接是none或cross的。
• kernel&＃xff1a; 所运行的OS&＃xff0c;见过的有Linux&＃xff0c;uclinux&＃xff0c;bare&＃xff08;无OS&＃xff09;。
• systen&＃xff1a;交叉编译链所选择的库函数和目标映像的规范&＃xff0c;如gnu&＃xff0c;gnueabi等。其中gnu等价于glibc&＃43;oabi&＃xff1b;gnueabi等价于glibc&＃43;eabi。

GNU Binutils

一般在解压后的交叉编译工具链bin目录下会有很多可执行程序工具&＃xff0c;以不同的后缀进行区分&＃xff0c;这些不同的后缀代表的意义如下&＃xff1a;

• ld &＃xff1a;GNU链接器。
• as &＃xff1a;GNU汇编器。
• gold&＃xff1a;一个新的&＃xff0c;更快的&＃xff0c;仅ELF的链接器。
• addr2line&＃xff1a;将地址转换为文件名和行号。
• ar&＃xff1a;用于创建&＃xff0c;修改和提取档案的实用程序。
• c&＃43;&＃43;filt&＃xff1a;过滤以解编码编码的C &＃43;&＃43;符号。
• dlltool&＃xff1a;创建用于构建和使用DLL的文件。
• elfedit&＃xff1a;允许更改ELF格式文件。
• gprof&＃xff1a;显示分析信息。
• nlmconv&＃xff1a;将目标代码转换为NLM。
• nm&＃xff1a;列出目标文件中的符号。
• objcopy&＃xff1a;复制并转换目标文件。
• objdump&＃xff1a;显示目标文件中的信息。
• ranlib&＃xff1a;生成指向档案内容的索引。
• readelf&＃xff1a;显示来自任何ELF格式对象文件的信息。
• size&＃xff1a;列出的对象或归档文件的部分的尺寸。
• strings&＃xff1a;列出文件中的可打印字符串。
• strip&＃xff1a;丢弃的符号。
• windmc&＃xff1a;Windows兼容的消息编译器。
• windres&＃xff1a;Windows资源文件的编译器。

不同交叉编译工具链代表的意义

• aarch64-elf&＃xff1a;64位Armv8 Cortex-A&＃xff0c;小端
• arrch64-linux-gnu&＃xff1a;64位Armv8 Cortex-A&＃xff0c;小端
• aarch64_be-elf&＃xff1a; 64位Armv8 Cortex-A&＃xff0c;大端
• aarch64_be-linux-gnu&＃xff1a;64位Armv8 Cortex-A&＃xff0c;大端
• arm-eabi&＃xff1a;32位Armv7 Cortex-A&＃xff0c;软浮点&＃xff0c;低端
• arm-linux-gnueabi&＃xff1a;32位Armv7 Cortex-A&＃xff0c;软浮点&＃xff0c;小端
• arm-linux-gnueabihf&＃xff1a;32位Armv7 Cortex-A&＃xff0c;硬浮点&＃xff0c;小端
• armeb-eabi&＃xff1a;32位Armv7 Cortex-A&＃xff0c;软浮点&＃xff0c;大端
• armeb-linux-gnueabi&＃xff1a;32位Armv7 Cortex-A&＃xff0c;软浮点&＃xff0c;大端
• armeb-linux-gnueabihf&＃xff1a;32位Armv7 Cortex-A&＃xff0c;硬浮点&＃xff0c;大端
• armv8l-linux-gnueabihf&＃xff1a;32位Armv8 Cortex-A&＃xff0c;硬浮点&＃xff0c;小端

参考资料&＃xff1a;

• 交叉编译详解 一 概念篇
• Linux交叉编译简介
• GNU Binutils
• ArmHardFloatPort