如何根據自己的開發板型號下載和配置交叉編譯鏈

舟清颺發表於2024-06-17
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V1.0 2024年6月17日 釋出於部落格園

目錄

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    • 目錄
    • 基本概念
      • 本地編譯
      • 交叉編譯
    • 如何選擇編譯器
      • 目標晶片架構
      • 大小端
      • 目標作業系統
      • C標準庫型別
      • 應用二進位制介面
      • 浮點模式
      • 編譯器版本號
    • 編譯器型別對程式的影響
      • 安裝軟浮點編譯器
      • 執行軟浮點動態編譯的程式
      • 開發板的glibc庫型別
      • 執行軟浮點靜態編譯的程式
    • 如何安裝ARM-GCC
      • 使用APT安裝ARM-GCC
        • 交叉編譯Hello World程式
      • 下載第三方製作好的工具鏈
        • 下載
        • 安裝
        • 使用
  • 參考資料

基本概念

本地編譯

  • 編譯器執行在X86_64架構平臺上，編譯生成X86_64架構的可執行程式

這種編譯器和目標程式都是相同架構的編譯過程，被稱為 本地編譯 。

交叉編譯

而當前我們希望的是編譯器執行在x86架構平臺上，編譯生成ARM架構的可執行程式，這種編譯器和目標程式執行在不同架構的編譯過程，被稱為 交叉編譯。

既然已經有本地編譯，為什麼需要交叉編譯？這是因為通常編譯工具鏈對編譯環境有較高的要求，編譯複雜的程式時，可能需要巨大的儲存空間以及強大的CPU運算能力加快編譯速度。常見的ARM 架構平臺資源有限，無論是儲存空間還是CPU運算能力，都與X86平臺相去甚遠，特別是對於MCU平臺，安裝編譯器根本無從談起。有了交叉編譯，我們就可以在PC上快速編譯出針對其他架構的可執行程式。

相對的，能進行架構“交叉”編譯過程的編譯器，就被稱為 交叉編譯器（Cross compiler）。 交叉編譯器聽起來是個新概念，但在MCU開發中一直使用的就是交叉編譯器， 例如開發STM32、RT1052所使用的IDE軟體Keil（MDK）或IAR，就是在Windows x86架構編譯，生成MCU平臺的應用程式，最後下載到板子執行。

如何選擇編譯器

除了我們安裝的arm-linux-gnueabihf-gcc外，編譯器還有很多版本，如arm-linux-gnueabi-gcc，《GCC和Hello World》章節中使用的本地編譯器gcc全名為x86_64-linux-gnu-gcc。

目前大部分ARM開發者使用的都是由Linaro組織提供的交叉編譯器，包括前面使用APT安裝的ARM-GCC工具鏈，它的來源也是Linaro。Linaro是由ARM發起，與其它ARM SOC公司共同投資的非盈利組織。我們可以在它官網的如下地址找到它提供的ARM交叉編譯器：Linaro Releases ，如下圖所示，在它提供的編譯器列表中首先選擇版本號，然後可選擇ARM架構型別，最後是具體的編譯器平臺。

image

image

編譯器的命名沒有嚴格的規則，但它們的名字中一般包含我們最關心的內容，可根據它們的名字選擇要使用的編譯器：

arch [-os] [-(gnu)eabi(hf)] -gcc

其中的各欄位如下表所示。

GCC編譯器命名格式

欄位 含義
arch 目標晶片架構
os 作業系統
gnu C標準庫型別
eabi 應用二進位制介面
hf 浮點模式

以我們安裝的arm-linux-gnueabihf-gcc編譯器為例，表示它的目標晶片架構為ARM，目標作業系統為Linux，使用GNU的C標準庫即glibc，使用嵌入式應用二進位制介面（eabi），編譯器的浮點模式為硬浮點hard-float。而另一種名為arm-linux-gnueabi- gcc的編譯器與它的差別就在於是否帶“hf”，不帶“hf”表示它使用soft-float模式。

關於編譯器的各個欄位詳細說明如下：

目標晶片架構

目標晶片架構就是指交叉編譯器生成的程式執行的平臺，如ARM、MIPS，其中ARM交叉編譯器又分為ARMv7、ARMv8及aarch64架構。本書使用的i.MX 6ULL的核心為Cortex-A7，它使用的是ARMv7架構。 arm-linux-gnueabihf-gcc直接以arm表示ARMv7架構。

大小端

指目標晶片的大小端模式，i.MX 6ULL使用的是小端模式。若是大端模式（big edian），編譯器名字中會帶“be”或“eb”欄位進行標標註。

目標作業系統

目標作業系統表示編譯後的程式執行的系統，主要有Linux或bare-metal（無作業系統）兩種，arm-linux-gnueabi-gcc 表示它目標程式的執行環境為Linux系統，程式可以使用Linux下的C標準庫或Linux核心提供的API，如fork等程序函式。而arm- eabi-gcc或arm-none-eabi-gcc表示它們的目標程式執行在無作業系統的環境中。

所以嚴格來說，我們編譯Linux應用程式時應該使用帶“linux”的編譯器，而編譯uboot、裸機程式時，應該使用“bare-metal”型別的裸機編譯器，但很多開發者常常把它們混用也沒有出現問題，這一般是因為開發者編寫的裸機程式本身就沒有使用到Linux系統提供的API，所以才不會出錯。

C標準庫型別

C標準庫型別通常有gnu、uclibc等，分別表示GNU的glibc庫和uclibc庫，這取決於目標作業系統提供的C庫型別，不過由於glibc和uclibc庫是相容的，所以開發者在編通常直接使用GNU型別的編譯器而不管目標系統中的C庫型別。 除了裸機編譯器不帶C庫之外，其它編譯器的C庫型別都是glibc庫的，如arm-linux-gnueabihf-gcc。

應用二進位制介面

應用二進位制介面（Application Binary Interface），描述了應用程式和作業系統之間或其他應用程式的低階介面。在編譯器選項中主要有“abi”和“eabi”兩種型別，abi通常用在x86架構上，而eabi表示embed abi，即嵌入式架構，如ARM、MIPS等。

浮點模式

部分ARM處理器帶浮點運算單元，程式碼需要進行浮點運算時若交給fpu處理，可以加快運算速度。編譯器針對浮點運算的不同處理情況提供了以下幾種模式：

  • hard： 硬浮點型別（hard-float），採用fpu參與浮點運算。 arm-linux-gnueabihf-gcc、armeb-linux-gnueabihf-gcc都是硬浮點型別，即名字中帶“hf”。
  • soft：軟浮點型別（soft-float），即使有fpu浮點運算單元也不用，而是使用軟體模式，arm-linux-gnueabi-gcc、armeb-linux-gnueabi-gcc都是軟浮點型別，即名字中不帶“hf”。
  • softfp：允許使用浮點指令，但保持與軟浮點ABI的相容性。

i.MX6ULL帶有fpu，對於soft-float和hard-float模式都支援，不過本開發板中提供Linux檔案系統中的庫都是使用hard模式編譯的，所以編寫應用程式時也需要使用相同型別的編譯器，否則會應用程式執行時會提示找不到庫檔案。( 注意!不同板子的軟硬不相容!! )

編譯器版本號

通常來說高版本的編譯器是向後相容的，但開發特定程式時會使用固定的某個版本編譯器，所以程式可能會依賴該版本的編譯器，根據自己要編譯的程式的要求選擇即可。

編譯器型別對程式的影響

講解編譯器型別時提到，編譯器名字中帶hf和不帶hf的差異為硬浮點和軟浮點模式，此處透過小實驗來進行講解，對比兩種編譯器對同樣程式的影響。

安裝軟浮點編譯器

首先安裝浮點模式為soft-float型別的編譯器，即arm-linux-gnueabi-gcc，它與前面使用的arm-linux-gnueabihf-gcc差異為編譯器名字不帶“hf”：

#在主機上執行如下命令

sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabi

#安裝完成後使用如下命令檢視版本

arm-linux-gnueabi-gcc -v

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執行軟浮點動態編譯的程式

安裝好arm-linux-gnueabi-gcc軟浮點編譯器後，繼續使用hello.c程式進行實驗。

切換至前面hello.c的目錄，使用不帶“hf”的軟浮點編譯器重新編譯：

#以下命令在主機上執行

#在hello.c程式所在的目錄執行如下命令，注意編譯器名字不帶hf

sudo arm-linux-gnueabi-gcc hello.c –o hello

此處我們使用的是同樣的hello.c程式碼檔案，只是編譯器的型別不同，再次透過readelf工具來檢視具體的程式頭資訊，在主機上執行以下命令：

#以下命令在主機上執行

readelf -h hello

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可以看到結果與前面的差異在於此處的是soft-float型別，而前面的是hard-float型別，這正是編譯器型別不同導致的。

編譯好後，嘗試在開發板上執行該程式，在開發板的終端執行以下命令。

#以下命令在開發板上的終端上執行

#切換至共享的NFS目錄，下面的目錄根據自己的配置修改

cd /mnt/example/hello_c

#檢視是否有存在前面編譯生成的檔案

ls

#執行主機編譯的ARM平臺程式，soft-float型別

./hello

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很遺憾，使用arm-linux-gnueabi-gcc軟浮點編譯的程式無法正常執行，它提示找不到檔案或目錄，這是因為程式內部呼叫了軟浮點的類庫（如glibc庫檔案libc.so.6），而開發板配套的庫檔案是硬浮點型別的。

開發板的glibc庫型別

關於庫檔案的型別，同樣可以使用readelf工具檢視，在開發板中執行以下命令

#使用readelf檢視開發板的libc.so.6型別

readelf -h libc.so.6

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表示開發板的glibc庫檔案libc.so.6為ARM架構的hard-float型別庫，所以不帶hf編譯器生成的hello程式與它不相容，無法正常執行。

執行軟浮點靜態編譯的程式

既然hello程式是因為庫不相容，那如果程式使用靜態編譯，即程式自帶相關庫的內容，是不是就可以正常執行呢？答案是可以的。我們繼續進行如下測試：

在主機執行如下命令，對hello.c進行靜態編譯生成hello_static程式：

#以下命令在主機上執行

#使用不帶hf的編譯器對hello.c進行靜態編譯，生成的程式名為hello_static

sudo arm-linux-gnueabi-gcc hello.c -o hello_static --static

#檢視生成的程式大小

ls -lh

#檢視hello_static檔案頭

readelf -h hello_static

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可看到使用靜態編譯得到的hello_static程式比動態編譯的hello大，這是因為它自身包含了庫檔案，使用readelf也可以看到hello_static程式依然是soft-float型別的。

接著嘗試在開發板中執行生成的hello_static靜態程式：

#以下命令在開發板上的終端上執行

#切換至共享的NFS目錄，下面的目錄根據自己的配置修改

cd /mnt/example/hello_c

#檢視是否有存在前面編譯生成的檔案

ls

#執行主機編譯的ARM平臺程式，soft-float型別，靜態可執行檔案

./hello_static

如下圖:

image

hello_static程式正常執行，這就是編譯器及系統庫檔案對程式執行的影響。

如何安裝ARM-GCC

安裝交叉編譯工具鏈有如下三種方式：

  • 直接在Ubuntu下使用APT包管理工具下載安裝，操作簡單。
  • 自行下載第三方製作好的工具鏈，如Linaro，好處是選擇豐富，能找到很多不同的版本。
  • 使用crosstool-ng根據需要自己製作，過程複雜，不推薦。

使用APT安裝ARM-GCC

在Ubuntu系統下使用APT包管理工具安裝。

使用的編譯器主要有兩種型別：

  • arm-linux-gnueabihf-gcc：名稱中的Linux表示目標應用程式是執行在Linux作業系統之上的，例如前面的hello.c程式。
  • arm-none-eabi-gcc，名稱中的none表示無作業系統，目標應用程式的執行環境是不帶作業系統的，例如裸機程式碼、uboot、核心程式碼本身。

不過在開發中比較多的開發者對所有程式都直接用arm-linux-gnueabihf-gcc來編譯，包括裸機程式碼和uboot，雖然可能因為程式碼本身沒有呼叫到Linux相關的內容而不會出錯，但這樣做不夠嚴謹，條件允許的話，我們還是嚴格區分開來。

透過APT包管理工具可直接執行以下命令安裝：

#在主機上執行如下命令
sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabihf
#安裝完成後使用如下命令檢視版本
arm-linux-gnueabihf-gcc –v

可以看到下圖的內容，它表明交叉編譯工具鏈安裝成功了，輸出資訊表明了它是7.4.0版本的編譯器，其中的 “Target:arm-linux-gnueabihf”也表明了它的目標架構。

安裝完成後輸入“arm-linux-gnueabihf-”，再按兩下TAB鍵，終端會提示可用的相關命令，如下圖包含了ARM-GCC工具鏈Binutils的各種工具。

image

安裝後包含的Binutils工具集

交叉編譯Hello World程式

安裝好交叉編譯器後，直接使用它對Hello World程式進行交叉編譯即可。

交叉編譯器與本地編譯器使用起來並沒有多大區別。對於原始檔的編譯過程，都是四個階段：預處理，編譯，彙編以及連結，區別只在於編譯工具。

在主機上執行如下命令對Hello World程式進行交叉編譯：

#以下命令在主機上執行

#在hello.c程式所在的目錄執行如下命令

arm-linux-gnueabihf-gcc hello.c –o hello

同樣的C程式碼檔案，使用交叉編譯器編譯後，生成的hello已經變成了ARM平臺的可執行檔案，可以透過readelf工具來檢視具體的程式資訊。

readelf工具在系統安裝GCC編譯工具鏈時一起被安裝了，我們可以直接使用。在主機上執行以下命令：

#以下命令在主機上執行

readelf -a hello

image

使有readelf檢視交叉編譯器生成的hello程式

可看到hello程式的系統架構為ARM平臺，標誌中表明瞭它是hard-float型別的EABI介面。

編譯好後，即可嘗試在開發板上執行，在開發板的終端執行以下命令，執行結果如下圖所示。

#以下命令在開發板上的終端上執行

#切換至共享的NFS目錄，下面的目錄根據自己的配置修改

cd /mnt/example/hello_c

#檢視是否有存在前面編譯生成的檔案

ls

#執行主機編譯的ARM平臺程式

./hello

image

下載第三方製作好的工具鏈

下載

Linaro Releases

image

正點原子的板子應該下載x86_64的版本, 因為開發平臺是64位的linux. 應該下載帶hf的, 表示硬浮點, 因為正點原子的板子的Linux檔案系統中的庫都是使用hard模式編譯的.

官方給的4.9版本太老, 使用8.x的lvgl庫時會報錯! 要修改的有很多. 故推薦5.4

安裝

sudo apt-get install lsb-core lib32stdc++6 #安裝其它的庫

在電腦的Linux系統中切換為root使用者

su - #切換root
cd /
mkdir /DevelopmentTool/zdyz/gcc/ #建立資料夾
# 然後將 下載好的 gcc-linaro-5.4.1-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz 上傳到其中
tar -vxf gcc-linaro-5.4.1-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz #解壓
cd /etc/profile.d #進入全域性指令碼資料夾
touch IoT_development.sh #建立自定義指令碼檔案 
chmod 644 IoT_development.sh
vim IoT_development.sh
# 修改環境變數, 加入下面的內容即可
export PATH=/DevelopmentTool/zdyz/gcc/gcc-linaro-5.4.1-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin:$PATH
# 重啟系統或
source ./IoT_development.sh
# 檢視版本號  如果交叉編譯器安裝正確的話就會顯示版本號，如圖
arm-linux-gnueabihf-gcc -v

使用

# 終端直接編譯
arm-linux-gnueabihf-gcc main.c -o demo.out
# Makefile編寫
CC = arm-linux-gnueabihf-gcc

image

可見編譯成功.

若有多個不同版本的交叉編譯鏈, 使用時使用完整的名稱即可.

參考資料

  • 【正點原子】I.MX6U嵌入式Linux驅動開發指南V1.81.pdf---P164
  • [4. ARM-GCC和開發板的HelloWorld — 野火]嵌入式Linux基礎與應用開發實戰指南——基於i.MX6ULL開發板 文件 (embedfire.com)
  • Linaro Releases

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