如何根据自己的开发板型号下载和配置交叉编译链

2024-06-17 15:58 由舟清颺发表于 #操作系统

V1.0 2024年6月17日发布于博客园

基本概念

本地编译

编译器运行在X86_64架构平台上，编译生成X86_64架构的可执行程序

这种编译器和目标程序都是相同架构的编译过程，被称为 本地编译 。

交叉编译

而当前我们希望的是编译器运行在x86架构平台上，编译生成ARM架构的可执行程序，这种编译器和目标程序运行在不同架构的编译过程，被称为 交叉编译。

既然已经有本地编译，为什么需要交叉编译？这是因为通常编译工具链对编译环境有较高的要求，编译复杂的程序时，可能需要巨大的存储空间以及强大的CPU运算能力加快编译速度。常见的ARM 架构平台资源有限，无论是存储空间还是CPU运算能力，都与X86平台相去甚远，特别是对于MCU平台，安装编译器根本无从谈起。有了交叉编译，我们就可以在PC上快速编译出针对其他架构的可执行程序。

相对的，能进行架构“交叉”编译过程的编译器，就被称为 交叉编译器（Cross compiler）。交叉编译器听起来是个新概念，但在MCU开发中一直使用的就是交叉编译器，例如开发STM32、RT1052所使用的IDE软件Keil（MDK）或IAR，就是在Windows x86架构编译，生成MCU平台的应用程序，最后下载到板子执行。

如何选择编译器

除了我们安装的arm-linux-gnueabihf-gcc外，编译器还有很多版本，如arm-linux-gnueabi-gcc，《GCC和Hello World》章节中使用的本地编译器gcc全名为x86_64-linux-gnu-gcc。

目前大部分ARM开发者使用的都是由Linaro组织提供的交叉编译器，包括前面使用APT安装的ARM-GCC工具链，它的来源也是Linaro。Linaro是由ARM发起，与其它ARM SOC公司共同投资的非盈利组织。我们可以在它官网的如下地址找到它提供的ARM交叉编译器：Linaro Releases ，如下图所示，在它提供的编译器列表中首先选择版本号，然后可选择ARM架构类型，最后是具体的编译器平台。

编译器的命名没有严格的规则，但它们的名字中一般包含我们最关心的内容，可根据它们的名字选择要使用的编译器：

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

其中的各字段如下表所示。

GCC编译器命名格式

字段	含义
arch	目标芯片架构
os	操作系统
gnu	C标准库类型
eabi	应用二进制接口
hf	浮点模式

以我们安装的arm-linux-gnueabihf-gcc编译器为例，表示它的目标芯片架构为ARM，目标操作系统为Linux，使用GNU的C标准库即glibc，使用嵌入式应用二进制接口（eabi），编译器的浮点模式为硬浮点hard-float。而另一种名为arm-linux-gnueabi- gcc的编译器与它的差别就在于是否带“hf”，不带“hf”表示它使用soft-float模式。

关于编译器的各个字段详细说明如下：

目标芯片架构

目标芯片架构就是指交叉编译器生成的程序运行的平台，如ARM、MIPS，其中ARM交叉编译器又分为ARMv7、ARMv8及aarch64架构。本书使用的i.MX 6ULL的内核为Cortex-A7，它使用的是ARMv7架构。 arm-linux-gnueabihf-gcc直接以arm表示ARMv7架构。

大小端

指目标芯片的大小端模式，i.MX 6ULL使用的是小端模式。若是大端模式（big edian），编译器名字中会带“be”或“eb”字段进行标标注。

目标操作系统

目标操作系统表示编译后的程序运行的系统，主要有Linux或bare-metal（无操作系统）两种，arm-linux-gnueabi-gcc 表示它目标程序的运行环境为Linux系统，程序可以使用Linux下的C标准库或Linux内核提供的API，如fork等进程函数。而arm- eabi-gcc或arm-none-eabi-gcc表示它们的目标程序运行在无操作系统的环境中。

所以严格来说，我们编译Linux应用程序时应该使用带“linux”的编译器，而编译uboot、裸机程序时，应该使用“bare-metal”类型的裸机编译器，但很多开发者常常把它们混用也没有出现问题，这一般是因为开发者编写的裸机程序本身就没有使用到Linux系统提供的API，所以才不会出错。

C标准库类型

C标准库类型通常有gnu、uclibc等，分别表示GNU的glibc库和uclibc库，这取决于目标操作系统提供的C库类型，不过由于glibc和uclibc库是兼容的，所以开发者在编通常直接使用GNU类型的编译器而不管目标系统中的C库类型。除了裸机编译器不带C库之外，其它编译器的C库类型都是glibc库的，如arm-linux-gnueabihf-gcc。

应用二进制接口

应用二进制接口（Application Binary Interface），描述了应用程序和操作系统之间或其他应用程序的低级接口。在编译器选项中主要有“abi”和“eabi”两种类型，abi通常用在x86架构上，而eabi表示embed abi，即嵌入式架构，如ARM、MIPS等。

浮点模式

部分ARM处理器带浮点运算单元，代码需要进行浮点运算时若交给fpu处理，可以加快运算速度。编译器针对浮点运算的不同处理情况提供了以下几种模式：

hard：硬浮点类型（hard-float），采用fpu参与浮点运算。 arm-linux-gnueabihf-gcc、armeb-linux-gnueabihf-gcc都是硬浮点类型，即名字中带“hf”。
soft：软浮点类型（soft-float），即使有fpu浮点运算单元也不用，而是使用软件模式，arm-linux-gnueabi-gcc、armeb-linux-gnueabi-gcc都是软浮点类型，即名字中不带“hf”。
softfp：允许使用浮点指令，但保持与软浮点ABI的兼容性。

i.MX6ULL带有fpu，对于soft-float和hard-float模式都支持，不过本开发板中提供Linux文件系统中的库都是使用hard模式编译的，所以编写应用程序时也需要使用相同类型的编译器，否则会应用程序运行时会提示找不到库文件。( 注意!不同板子的软硬不兼容!! )

编译器版本号

通常来说高版本的编译器是向后兼容的，但开发特定程序时会使用固定的某个版本编译器，所以程序可能会依赖该版本的编译器，根据自己要编译的程序的要求选择即可。

编译器类型对程序的影响

讲解编译器类型时提到，编译器名字中带hf和不带hf的差异为硬浮点和软浮点模式，此处通过小实验来进行讲解，对比两种编译器对同样程序的影响。

安装软浮点编译器

首先安装浮点模式为soft-float类型的编译器，即arm-linux-gnueabi-gcc，它与前面使用的arm-linux-gnueabihf-gcc差异为编译器名字不带“hf”：

#在主机上执行如下命令

sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabi

#安装完成后使用如下命令查看版本

arm-linux-gnueabi-gcc -v

运行软浮点动态编译的程序

安装好arm-linux-gnueabi-gcc软浮点编译器后，继续使用hello.c程序进行实验。

切换至前面hello.c的目录，使用不带“hf”的软浮点编译器重新编译：

#以下命令在主机上运行

#在hello.c程序所在的目录执行如下命令，注意编译器名字不带hf

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

此处我们使用的是同样的hello.c代码文件，只是编译器的类型不同，再次通过readelf工具来查看具体的程序头信息，在主机上执行以下命令：

#以下命令在主机上运行

readelf -h hello

可以看到结果与前面的差异在于此处的是soft-float类型，而前面的是hard-float类型，这正是编译器类型不同导致的。

编译好后，尝试在开发板上运行该程序，在开发板的终端执行以下命令。

#以下命令在开发板上的终端上执行

#切换至共享的NFS目录，下面的目录根据自己的配置修改

cd /mnt/example/hello_c

#查看是否有存在前面编译生成的文件

ls

#执行主机编译的ARM平台程序，soft-float类型

./hello

很遗憾，使用arm-linux-gnueabi-gcc软浮点编译的程序无法正常执行，它提示找不到文件或目录，这是因为程序内部调用了软浮点的类库（如glibc库文件libc.so.6），而开发板配套的库文件是硬浮点类型的。

开发板的glibc库类型

关于库文件的类型，同样可以使用readelf工具查看，在开发板中执行以下命令

#使用readelf查看开发板的libc.so.6类型

readelf -h libc.so.6

表示开发板的glibc库文件libc.so.6为ARM架构的hard-float类型库，所以不带hf编译器生成的hello程序与它不兼容，无法正常运行。

运行软浮点静态编译的程序

既然hello程序是因为库不兼容，那如果程序使用静态编译，即程序自带相关库的内容，是不是就可以正常运行呢？答案是可以的。我们继续进行如下测试：

在主机执行如下命令，对hello.c进行静态编译生成hello_static程序：

#以下命令在主机上运行

#使用不带hf的编译器对hello.c进行静态编译，生成的程序名为hello_static

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

#查看生成的程序大小

ls -lh

#查看hello_static文件头

readelf -h hello_static

可看到使用静态编译得到的hello_static程序比动态编译的hello大，这是因为它自身包含了库文件，使用readelf也可以看到hello_static程序依然是soft-float类型的。

接着尝试在开发板中执行生成的hello_static静态程序：

#以下命令在开发板上的终端上执行

#切换至共享的NFS目录，下面的目录根据自己的配置修改

cd /mnt/example/hello_c

#查看是否有存在前面编译生成的文件

ls

#执行主机编译的ARM平台程序，soft-float类型，静态可执行文件

./hello_static

如下图:

hello_static程序正常运行，这就是编译器及系统库文件对程序运行的影响。

如何安装ARM-GCC

安装交叉编译工具链有如下三种方式：

直接在Ubuntu下使用APT包管理工具下载安装，操作简单。
自行下载第三方制作好的工具链，如Linaro，好处是选择丰富，能找到很多不同的版本。
使用crosstool-ng根据需要自己制作，过程复杂，不推荐。

使用APT安装ARM-GCC

在Ubuntu系统下使用APT包管理工具安装。

使用的编译器主要有两种类型：

arm-linux-gnueabihf-gcc：名称中的Linux表示目标应用程序是运行在Linux操作系统之上的，例如前面的hello.c程序。
arm-none-eabi-gcc，名称中的none表示无操作系统，目标应用程序的运行环境是不带操作系统的，例如裸机代码、uboot、内核代码本身。

不过在开发中比较多的开发者对所有程序都直接用arm-linux-gnueabihf-gcc来编译，包括裸机代码和uboot，虽然可能因为代码本身没有调用到Linux相关的内容而不会出错，但这样做不够严谨，条件允许的话，我们还是严格区分开来。

通过APT包管理工具可直接执行以下命令安装：

#在主机上执行如下命令
sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabihf
#安装完成后使用如下命令查看版本
arm-linux-gnueabihf-gcc –v

可以看到下图的内容，它表明交叉编译工具链安装成功了，输出信息表明了它是7.4.0版本的编译器，其中的 “Target:arm-linux-gnueabihf”也表明了它的目标架构。

安装完成后输入“arm-linux-gnueabihf-”，再按两下TAB键，终端会提示可用的相关命令，如下图包含了ARM-GCC工具链Binutils的各种工具。

安装后包含的Binutils工具集

交叉编译Hello World程序

安装好交叉编译器后，直接使用它对Hello World程序进行交叉编译即可。

交叉编译器与本地编译器使用起来并没有多大区别。对于源文件的编译过程，都是四个阶段：预处理，编译，汇编以及链接，区别只在于编译工具。

在主机上执行如下命令对Hello World程序进行交叉编译：

#以下命令在主机上运行

#在hello.c程序所在的目录执行如下命令

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

同样的C代码文件，使用交叉编译器编译后，生成的hello已经变成了ARM平台的可执行文件，可以通过readelf工具来查看具体的程序信息。

readelf工具在系统安装GCC编译工具链时一起被安装了，我们可以直接使用。在主机上执行以下命令：

#以下命令在主机上运行

readelf -a hello

使有readelf查看交叉编译器生成的hello程序

可看到hello程序的系统架构为ARM平台，标志中表明了它是hard-float类型的EABI接口。

编译好后，即可尝试在开发板上运行，在开发板的终端执行以下命令，执行结果如下图所示。

#以下命令在开发板上的终端上执行

#切换至共享的NFS目录，下面的目录根据自己的配置修改

cd /mnt/example/hello_c

#查看是否有存在前面编译生成的文件

ls

#执行主机编译的ARM平台程序

./hello

下载第三方制作好的工具链

下载

Linaro Releases

正点原子的板子应该下载x86_64的版本, 因为开发平台是64位的linux. 应该下载带hf的, 表示硬浮点, 因为正点原子的板子的Linux文件系统中的库都是使用hard模式编译的.

官方给的4.9版本太老, 使用8.x的lvgl库时会报错! 要修改的有很多. 故推荐5.4

安装

sudo apt-get install lsb-core lib32stdc++6 #安装其它的库

在电脑的Linux系统中切换为root用户

su - #切换root
cd /
mkdir /DevelopmentTool/zdyz/gcc/ #创建文件夹
# 然后将 下载好的 gcc-linaro-5.4.1-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz 上传到其中
tar -vxf gcc-linaro-5.4.1-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz #解压
cd /etc/profile.d #进入全局脚本文件夹
touch IoT_development.sh #创建自定义脚本文件 
chmod 644 IoT_development.sh
vim IoT_development.sh
# 修改环境变量, 加入下面的内容即可
export PATH=/DevelopmentTool/zdyz/gcc/gcc-linaro-5.4.1-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin:$PATH
# 重启系统或
source ./IoT_development.sh
# 查看版本号  如果交叉编译器安装正确的话就会显示版本号，如图
arm-linux-gnueabihf-gcc -v

使用

# 终端直接编译
arm-linux-gnueabihf-gcc main.c -o demo.out
# Makefile编写
CC = arm-linux-gnueabihf-gcc

可见编译成功.

若有多个不同版本的交叉编译链, 使用时使用完整的名称即可.

参考资料

【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.81.pdf---P164
[4. ARM-GCC和开发板的HelloWorld — 野火]嵌入式Linux基础与应用开发实战指南——基于i.MX6ULL开发板文档 (embedfire.com)
Linaro Releases