交叉編譯工具鏈的構建原理
阿新 • • 發佈：2019-02-17
在一種計算機環境（稱為host machine）中執行的編譯程式，能編譯出在另外一種環境（稱為target machine）下執行的程式碼，叫做交叉編譯。實現這個交叉編譯的一系列工具，包括C函式庫，核心檔案，編譯器，連結器，除錯器，二進位制工具……稱為交叉編譯工具鏈。
實際上在進行嵌入式開發時，我們通常都會在主機上(host machine)使用開發板廠商提供的編譯器，偵錯程式。比如在windows上裝環境除錯51，61微控制器，在Linux上用arm-gcc寫arm開發板的程式……
搭建交叉編譯環境是一個非常繁瑣並細緻的過程。筆者就已嵌入式Linux交叉編譯工具鏈的搭建為例，介紹下交叉編譯工具的建立過程，和原理。
主機（hostmachine），Fedora 9 Linux,
目標機（target machine），arm，mips，sh，ppc……
一，首先介紹下交叉編譯工具鏈的組成部分。
1，編譯器，彙編
編譯器是交叉編譯工具鏈中最顯眼的部分，因為平常我們與它打交道，寫程式，編譯成binary，下到開發板上。但是請注意，真正的編譯器並不會把程式直接變成二進位制檔案，而是連結器在做這件事情。
在Linux中，最常用的編譯器就是傳說中的gcc了，目前gcc已經到了4.4版本。編譯器做的事情是把程式，翻譯成目標機的彙編檔案(.s)，然後呼叫二進位制工具的彙編器（as），變成目標檔案(.o)。
嚴格的說，彙編器as並不屬於編譯器gcc，它和連結器ld屬於二進位制工具(binutils -- binary utilies)。
上一張圖供大家理解（gcc.jpg）。
什麼是目標檔案(.o)？目標檔案本身是一種可連結的二進位制檔案
2，連結器。
連結器是把多個目標檔案變成二進位制檔案。這個檔案，可以是可執行檔案，也可以是一個動態連結庫，也可以是一個可重定位的目標檔案（更大的.o）。連結成的檔案也是ELF格式。
連結的過程非常複雜，但原理卻又簡單，後面可以討論。連結器在Linux中用的是ld，和as一樣，在binutils程式包中。
ELF定義比較複雜，主要是對於連結來說分了很多的section，對於執行來說邏輯上有一些segment。如果大家想了解一下ELF格式，其實是有利於對整個系統的理解和高階除錯的。需要時進行討論。
3，核心檔案。
核心檔案是指核心標頭檔案
Linux中的核心標頭檔案當然是在Linux Kernal 原始碼包裡了，下載Linux Kernel後，即可安裝標頭檔案到某目錄，供編譯器及C庫使用。請注意的是，核心標頭檔案和二進位制工具沒有依賴關係。
為什麼要專門提出這一點？首先，有助於我們對交叉編譯工具鏈各個環境的理解。其次，很多教材都是錯的。原因：二進位制工具，實際上是根據target machine的ABI介面對程式進行規範和抽象，並不關心到底程式在做什麼。ABI=application binary interface，是system V系列系統彙編和硬體關係的介面標準。每個系列的處理器都有自己的ABI介面規範，ABI中定義了一些彙編使用規範和介面，如暫存器的使用，棧的組織，函式呼叫入口，資料對齊、格式，異常處理介面、訊號規範等等等等。
4，C函式庫。
無論是編譯核心，還是日常的程式，甚至編譯一個C++的編譯器，都需要C語言函式庫的支援。比如，我malloc一塊記憶體，我要知道怎麼malloc，Linux Kernel中不會提供一個記憶體管理的工具。其次C庫是可以更換的，無論是靜態連結庫還是動態連結庫。由於C庫的介面標準同意，就可以對庫而不是整個系統進行升級。
在嵌入式系統中，使用的C語言庫比較多。最強大，也最huge，最完善的莫過於GNU的glibc了，glibc也是標準的C語言庫，目前已經到了version 2.9。另外，由於嵌入式系統的靈活性，不可能將如此大的一個c庫移植到一個系統中，就衍生了很多輕量級的c庫，如uClibc，newlib。
請注意，由於編譯器是根據C語言庫創建出來的，所以編譯器是依賴於C庫的。比如ARM中的gcc，我們一般看到兩種，一種是arm-linux-*，一種是arm-linux-*。區別就在於，arm-linux-*一般是根據glibc創建出來的，只能夠和glibc的庫使用（你使用glibc 2.8 2.9的動、靜態連線庫沒有關係，而不能使用別的c庫），但不能使用，而arm-elf-*一般使用 uClibc或者使用redhat專門為嵌入式系統的開發的C庫newlib。
請注意C庫有個C庫的標頭檔案需要安裝，依賴於核心標頭檔案。
5，偵錯程式。
偵錯程式可以看作是補充的工具，當然，前提是你介於牛A和牛C之間。在程式設計中經常遇到這樣那樣的問題，有個偵錯程式自然是最方便不過的了。目前支援各種環境的偵錯程式最強的莫過於GDB了，GNU的gcc或許還對於某個平臺優化的不好（例如x86環境下gcc編譯出來的程式效率就不如intel自家的c++ complier），GDB在嵌入式上強大到一統江湖……
但偵錯程式並不只包括GDB，還有二進位制工具中的objdump，address2line，readelf等。GDB依賴於核心標頭檔案和C庫。
請注意在程式編譯時必須加入一些除錯資訊，才能夠使用偵錯程式。常用的除錯資訊格式有stabs/stabs+, coff/xcoff/xcoff+, dwarf/dwarf+，怎麼把這些資訊加到程式中可以在gcc裡面通過-g選項開啟，一般貌似也用不到太深入的……需要用到時候在討論吧。
實際上在進行嵌入式開發時，我們通常都會在主機上(host machine)使用開發板廠商提供的編譯器，偵錯程式。比如在windows上裝環境除錯51，61微控制器，在Linux上用arm-gcc寫arm開發板的程式……
搭建交叉編譯環境是一個非常繁瑣並細緻的過程。筆者就已嵌入式Linux交叉編譯工具鏈的搭建為例，介紹下交叉編譯工具的建立過程，和原理。
主機（hostmachine），Fedora 9 Linux,
目標機（target machine），arm，mips，sh，ppc……
一，首先介紹下交叉編譯工具鏈的組成部分。
1，編譯器，彙編
編譯器是交叉編譯工具鏈中最顯眼的部分，因為平常我們與它打交道，寫程式，編譯成binary，下到開發板上。但是請注意，真正的編譯器並不會把程式直接變成二進位制檔案，而是連結器在做這件事情。
在Linux中，最常用的編譯器就是傳說中的gcc了，目前gcc已經到了4.4版本。編譯器做的事情是把程式，翻譯成目標機的彙編檔案(.s)，然後呼叫二進位制工具的彙編器（as），變成目標檔案(.o)。
嚴格的說，彙編器as並不屬於編譯器gcc，它和連結器ld屬於二進位制工具(binutils -- binary utilies)。
上一張圖供大家理解（gcc.jpg）。
什麼是目標檔案(.o)？目標檔案本身是一種可連結的二進位制檔案
2，連結器。
連結器是把多個目標檔案變成二進位制檔案。這個檔案，可以是可執行檔案，也可以是一個動態連結庫，也可以是一個可重定位的目標檔案（更大的.o）。連結成的檔案也是ELF格式。
連結的過程非常複雜，但原理卻又簡單，後面可以討論。連結器在Linux中用的是ld，和as一樣，在binutils程式包中。
ELF定義比較複雜，主要是對於連結來說分了很多的section，對於執行來說邏輯上有一些segment。如果大家想了解一下ELF格式，其實是有利於對整個系統的理解和高階除錯的。需要時進行討論。
3，核心檔案。
核心檔案是指核心標頭檔案
Linux中的核心標頭檔案當然是在Linux Kernal 原始碼包裡了，下載Linux Kernel後，即可安裝標頭檔案到某目錄，供編譯器及C庫使用。請注意的是，核心標頭檔案和二進位制工具沒有依賴關係。
為什麼要專門提出這一點？首先，有助於我們對交叉編譯工具鏈各個環境的理解。其次，很多教材都是錯的。原因：二進位制工具，實際上是根據target machine的ABI介面對程式進行規範和抽象，並不關心到底程式在做什麼。ABI=application binary interface，是system V系列系統彙編和硬體關係的介面標準。每個系列的處理器都有自己的ABI介面規範，ABI中定義了一些彙編使用規範和介面，如暫存器的使用，棧的組織，函式呼叫入口，資料對齊、格式，異常處理介面、訊號規範等等等等。
4，C函式庫。
無論是編譯核心，還是日常的程式，甚至編譯一個C++的編譯器，都需要C語言函式庫的支援。比如，我malloc一塊記憶體，我要知道怎麼malloc，Linux Kernel中不會提供一個記憶體管理的工具。其次C庫是可以更換的，無論是靜態連結庫還是動態連結庫。由於C庫的介面標準同意，就可以對庫而不是整個系統進行升級。
在嵌入式系統中，使用的C語言庫比較多。最強大，也最huge，最完善的莫過於GNU的glibc了，glibc也是標準的C語言庫，目前已經到了version 2.9。另外，由於嵌入式系統的靈活性，不可能將如此大的一個c庫移植到一個系統中，就衍生了很多輕量級的c庫，如uClibc，newlib。
請注意，由於編譯器是根據C語言庫創建出來的，所以編譯器是依賴於C庫的。比如ARM中的gcc，我們一般看到兩種，一種是arm-linux-*，一種是arm-linux-*。區別就在於，arm-linux-*一般是根據glibc創建出來的，只能夠和glibc的庫使用（你使用glibc 2.8 2.9的動、靜態連線庫沒有關係，而不能使用別的c庫），但不能使用，而arm-elf-*一般使用 uClibc或者使用redhat專門為嵌入式系統的開發的C庫newlib。
請注意C庫有個C庫的標頭檔案需要安裝，依賴於核心標頭檔案。
5，偵錯程式。
偵錯程式可以看作是補充的工具，當然，前提是你介於牛A和牛C之間。在程式設計中經常遇到這樣那樣的問題，有個偵錯程式自然是最方便不過的了。目前支援各種環境的偵錯程式最強的莫過於GDB了，GNU的gcc或許還對於某個平臺優化的不好（例如x86環境下gcc編譯出來的程式效率就不如intel自家的c++ complier），GDB在嵌入式上強大到一統江湖……
但偵錯程式並不只包括GDB，還有二進位制工具中的objdump，address2line，readelf等。GDB依賴於核心標頭檔案和C庫。
請注意在程式編譯時必須加入一些除錯資訊，才能夠使用偵錯程式。常用的除錯資訊格式有stabs/stabs+, coff/xcoff/xcoff+, dwarf/dwarf+，怎麼把這些資訊加到程式中可以在gcc裡面通過-g選項開啟，一般貌似也用不到太深入的……需要用到時候在討論吧。