认识交叉编译器

工具链的选择一般放在最开始，工具链选好以后最好就不要变动了。

或者说要变动的话，也是所有变动，所有的源码都要重新编译一次。

准备工作

安装基本工具

在使用/编译工具链时，需要安装下面这些工具：

$ sudo apt install -y autoconf automake bison bzip2 cmake \
flex g++ gawk gcc gettext git gperf help2man libncurses5-dev libstdc++6 libtool \
libtool-bin make patch python3-dev rsync texinfo unzip wget xz-utils

工具链

虽然 Clang 发展迅猛，且也可以用来交叉编译。但目前 GNU 工具链依然是最受欢迎的选择。

标准的 GNU 工具链包含以下几个组成部分：

• Binutils：二进制工具的集合，包含 ld，as，addr2line，strip 等

  这在分析目标文件，对目标文件进行瘦身等非常有用

• GCC：主要用于 c/c++ 的编译器集合

• c/c++ 库：包含支持 c/c++ 标准，且具有自己的扩展

对于嵌入式开发而言，需要包含两种编译器：

1. Native：也就是 X86 主机上用的本地编译器，这可以在前期开发应用程序时，直接在 PC 上模拟。开发效率当然是高于直接在嵌入式板上运行。

   当然，这就需要代码做好跨平台的兼容性。

2. Cross：进行底层（bootloader，kernel）开发或需要将应用程序在目标板上运行时，才需要进行交叉编译。

其实，即使开发主机和目标板的架构一样。也应该将他们的工具链分开，因为开发主机会随着时间推移而更新其工具链，这也会造成不一致的情况。

CPU 架构的差异与工具链

在选择工具链的时候，有下面这些因素需要考虑：

• CPU 架构：是 ARM、ARM64，还是 MIPS

• CPU 所支持的大小端

• CPU 是否具备硬件浮点单元：如果不具备，则只能使用软件模拟浮点运算

• CPU 所对应的 ABI

  ARM 架构使用的是Extended Application Binary Interface（EABI）。

  而根据 CPU 是否支持硬件浮点，又分为普通的 EABI 和带硬件浮点的 EABI：

  Extended Application Binary Interface Hard-Float（EABIHF）

GNU 工具链通过名称的前缀来区分这些差异，之间用短横线区分：

CPU-[Vendor]-Kernel-Operating system-tools name

比如 arm-xilinx-linux-gnueabi-gcc。

• CPU：指定 CPU 架构，比如arm,mips,x86_64

  如果 CPU 支持大小端切换，那么还会加上el对应小端，eb对应大端。

  比如 mipsel对应 MIPS 小端模式，armeb对应 ARM 大端模式

• Vendor：说明工具链的提供者，比如buildroot,poly,unknown，有些时候也没有该项

• Kernel：说明是用于裸机还是带系统，比如对于 Linux 就是字符串 linux。

• Operating system：指定 ABI，比如对于 GNU 对应 ARM 版本且带硬件浮点：gnueabihf

• tools name：就是工具名了，比如gcc,g++,ldd

如果工具链的名字信息不全（通常是 Native 编译器），那么可以通过-dumpmachie选项来输出：

~$ gcc -dumpmachine
x86_64-linux-gnu

c 库的差异

c 库有以下几个选择：

• glibc：GNU 标准 C 库，对 POSIX 支持也是最为完善的，只是体积占用比较大。
• musl libc：兼容性与 glibc 比较接近，但是占用体积比较小
• uClibc-ng：专用于嵌入式场景的 c 库，主要还是 uClinux 用得多
• eglibc：也是专用于嵌入式场景的 c 库，但已经好几年没有更新了

所以，如果 RAM 很小，那就选 musl libc，否则还是选 glibc 是最简单粗暴的方式。

获取工具链

工具链的获取有 3 种选择：

1. 选择已经编译好的第三方工具链
   • SOC 厂商或开发板厂商会提供他们的工具链
   • 一些开源组织（比如linaro）会提供他们的工具链
   • 发行版也会维护交叉编译工具链
2. 选择构建工具（buildroot,yocto）提供的工具链
3. 使用源码自己构建工具链

一般在没有特殊需求的情况下，都会使用前两个选择。

获取已有的工具链

首选在 SOC 厂商网站上获取他们所提供的工具链，其次才是在linaro网站上获取。

其工具链位于arm 工具链主页中，但由于网络原因，推荐使用清华大学开源镜像站。

自己构建工具链

构建工具链最简单的办法是通过crosstool-NG 来完成自动化构建。

安装 crosstool-NG

# 如果有代理，可以在命令行使用代理来加速
# export http_proxy="http://xx.xx.xx.xx:port"
# export https_proxy="http://xx.xx.xx.xx:port"
$ git clone https://github.com/crosstool-ng/crosstool-ng
$ ./bootstrap
$ ./configure
$ make
$ sudo make install

查看默认支持的工具链配置

可以先使用ct-ng list-samples命令列出 Crosstool-NG 所支持的类型。

然后在需要构建的工具链名称前面加show-便可以看到针对该工具链的一些配置：

cec@box:~/github$ ct-ng show-arm-cortex_a8-linux-gnueabi 
[G...]   arm-cortex_a8-linux-gnueabi
    Languages       : C,C++
    OS              : linux-6.4
    Binutils        : binutils-2.40
    Compiler        : gcc-13.2.0
    C library       : glibc-2.38
    Debug tools     : duma-2_5_21 gdb-13.2 ltrace-0.7.3 strace-6.4
    Companion libs  : expat-2.5.0 gettext-0.21 gmp-6.2.1 isl-0.26 libelf-0.8.13 libiconv-1.16 mpc-1.2.1 mpfr-4.2.1 ncurses-6.4 zlib-1.2.13 zstd-1.5.5
    Companion tools :

编译工具链

先选择aarch64-unknown-linux-gnu工具链，就和编译 uboot,kernel 选择配置文件一样：

$ ct-ng arm-cortex_a8-linux-gnueabi

工具链进一步配置，这和 uboot,kernel 对配置做修改一样的操作：

$ ct-ng menuconfig

• 关闭Path and misc options->Render the toolchain read-only

  为了在后面可以在工具链库路径中加入其他库，这样在交叉编译时不会因为找不到库而编译错误

• 在Operating System -> Version of linux选择 5.3.18

  目前使用 5.4.x 内核，所以工具链必须低于该版本。

  否则在加载文件系统时，就会出现错误：

  FATAL: kernel too old
  Kernel panic - not syncing: Attempted to kill init! exitcode=0x00007f00

  因为编译出的动态库 libc.so.6 所需要的内核版本高于当前内核版本

  • 可以使用file libc.so.6来查看其期望的版本

• 选择Target options->Floating point为hardware(FPU)（64 位 arm 中无此选项）

  如果有硬件浮点的话，那么选择此项才能产生使用硬件浮点单元的汇编，以提高运行效率

• 填入Target options->Use specific FPU值为neon（64 位 arm 中无此选项）

  设定 FPU ，以可以编译内核

然后开始构建：

$ ct-ng build

最终的输出位于：~x-tools/arm-cortex_a8-linux-gnueabihf

使用工具链

加入环境变量

在编译好工具链后，就需要将其路径加入PATH环境变量，以让当前 SHELL 可以正常使用：

$ PATH=~/x-tools/arm-cortex_a8-linux-gnueabihf/bin:$PATH

查看版本和配置

# 查看版本
$ arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc --version
# 查看编译时的配置
$ arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc -v

在查看配置时，有几个选项是值得关注的：

• --with-sysroot=：指定默认的 sysroot 目录

• --enable-languages=：说明编译器支持的版本

• --with-cpu=：针对的 CPU

  如果想在编译时设定为其他 CPU，可以在编译时使用选项-mcpu=xxx

• --with-float=：是否支持硬件浮点

• --enable-threads=posix：是否支持 POSIX 线程

sysroot

sysroot指的是一个包含库、头文件、配置文件的一个目录。

这些文件就是编译时查找的头文件、库等。

可以使用-print-sysroot选项来输出该路径：

$ arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc -print-sysroot

其中：

• lib文件夹：包含了 C 语言的动态链接库，链接器等
• /usr/lib/：包含了 C 语言的静态链接库
• /usr/include：包含了以上库的头文件
• /usr/bin：包含了在目标板上运行的工具
• /usr/share：包含的是一些本地化，国际化等
• sbin：主要包含ldconfig工具，用于优化动态库的载入路径

工具链中的其他工具

编译出来的工具链，还有一些其他常用的工具：

• addr2line：将执行文件中打印地址反推到源码的文件及行数。

  运行崩溃时，日志打印栈调用地址，然后通过该工具来反推源码文件及行数。定位问题很有帮助。

• ar：打包目标文件为静态链接库

• as：汇编器

• c++filt：重组 c++ 和 java 符号

• cpp：c 预处理器

• elfedit：编辑 ELF 文件的头

• g++：c++ 编译前端

• gcc：c 编译前端

• gcov：代码覆盖率工具

• gdb：强大的调试器

• gprof：程序分析工具

• ld：链接器

• nm：查看目标文件的符号表

• objcopy：拷贝和转化目标文件

• objdump：查看目标文件的详细信息

• ranlib：改变静态链接库的索引以加快链接速度

• readelf：查看目标文件信息的另一个工具

• size：输出目标文件代码段、数据段等占用

• strings：显示文件中的可显示字符

• strip：去除目标文件中的调试信息

C 库中的组件

c 库由 4 部分组成来实现 POSIX API：

• libc： c 库的主要部分，包含了常用的函数
• libm：包含数学运算的函数
• libpthread：包含pthread相关操作函数
• librt：实时操作函数，比如共享内存、异步 I/O

其中libc组件是默认都会链接的，不需要在编译命令中指明，而其他 3 个在需要的时候需要指明。方式就是-l加上名称，名称去掉lib前缀。

比如要链接数学库，就使用 -lm

要用实时操作函数，就使用 -lrt

要用多线程，就使用 -lpthread 或 -pthread

要查看一个可执行文件的链接库，可以使用readelf来查看：

$ arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-readelf -a a.out | grep "Shared library"

查看运行时需要的动态链接库，可以grep解释器：

arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-readelf -a a.out | grep 
"program interpreter"

链接静态/动态库

这方面的工作，就交给现代 CMake是最简单粗暴的方式。

使用不同的构建工具

对于应用编写，无脑使用 CMake 即可。

但对于第三方库、bootloader、kernel、rootfs 可能使用的是 makefile、autotools 等。

Makefile

对使用到 Makefile 的工程进行交叉编译时，大部分情况下只需要设定变量 CROSS_COMPILE来指定工具链：

# 方法 1
$ make CROSS_COMPILE=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-
# 方法 2
$ export CROSS_COMPILE=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-
$ make

对于像 U-boot、kernel 这种兼容多种硬件的项目，还需要设定ARCH变量来指定硬件内核。

Autotools

对于使用 Autotools 构建的项目，一般先使用./configure --help来查看其构建所支持的选项，然后再使用 make 来进行构建。

选项

其常用的选项如下：

• CC：指定 C 编译器
• CFLAGS：指定 C 编译器的选项
• CXX：指定 c++ 编译器
• CXXFLAGS：指定 c++ 编译器的选项
• LDFLAGS：指定链接选项，一般是库路径
• LIBS：指定需要链接的库
• CPPFLAGS：c 和 c++ 预编译选项，比如指定头文件路径
• CPP：指定 c 与编译器

常用编译命令

大部分情况下，只需要指定编译器和主机即可：

# host 指定代码需要运行的目标机，如果是 native 编译则不需要指定这些选项
$ CC=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc ./configure --host=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc

默认的安装目录是在<sysroot>/usr/local/如果想要改变安装路径，需要使用prefix选项：

$ CC=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc \
./configure --host=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf --prefix=/usr

对于交叉编译库，一般在make install时设置DESTDIR变量到sysroot，以正确进行交叉编译：

要不然交叉编译时，就要指定库路径和头文件路径

$ make DESTDIR=$(arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc -print-
sysroot) install

包管理

pkg-config 工具提供了对包管理的支持。

比如查看一个库所对应的库名称，c 选项：

# 指定搜寻路径
$ export PKG_CONFIG_LIBDIR=$(arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc \
-print-sysroot)/usr/lib/pkgconfig
$ pkg-config sqlite3 --libs --cflags
# 这里显示编译时只要 -lsqlite3 便可以使用该库了

还可以直接使用输出结果作为编译选项：

$ export PKG_CONFIG_LIBDIR=$(arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc \
-print-sysroot)/usr/lib/pkgconfig
$ arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc $(pkg-config sqlite3 
--cflags --libs) \
sqlite-test.c -o sqlite-test

CMake

对于 CMkae 的使用，参考现代 CMake即可。