建構ARM Linux交叉編譯工具鍊

交叉編譯工具鍊介紹

讀者可能會有疑問，為什麼要用交叉編譯器？交叉編譯通俗地講就是在一種平台上編譯出能運作在體系結構不同的另一種平台上的程式，比如在PC平台（X86 CPU）上編譯出能運作在以ARM為核心的CPU平台上的程式，編譯得到的程式在X86 CPU平台上是不能運作的，必須放到ARM CPU平台上才能運作，雖然兩個平台用的都是Linux系統。這種方法在異平台移植和嵌入式開發時非常有用。相對與交叉編譯，平常做的編譯叫本地編譯，也就是在目前平台編譯，編譯得到的程式也是在本地執行。用來編譯這種跨平台程式的編譯器就叫交叉編譯器，相對來說，用來做本地編譯的工具就叫本地編譯器。是以要生成在目标機上運作的程式，必須要用交叉編譯工具鍊來完成。在裁減和定制Linux核心用于嵌入式系統之前，由于一般嵌入式開發系統存儲大小有限，通常都要在性能優越的PC上建立一個用于目标機的交叉編譯工具鍊，用該交叉編譯工具鍊在PC上編譯目标機上要運作的程式。交叉編譯工具鍊是一個由編譯器、連接配接器和解釋器組成的綜合開發環境，交叉編譯工具鍊主要由binutils、gcc和glibc 3個部分組成。有時出于減小 libc 庫大小的考慮，也可以用别的 c 庫來代替 glibc，例如 uClibc、dietlibc 和 newlib。建立交叉編譯工具鍊是一個相當複雜的過程，如果不想自己經曆複雜繁瑣的編譯過程，網上有一些編譯好的可用的交叉編譯工具鍊可以下載下傳，但就以學習為目的來說讀者有必要學習自己制作一個交叉編譯工具鍊。

建構ARM Linux交叉編譯工具鍊

建構交叉編譯器的第一個步驟就是确定目标平台。在GNU系統中，每個目标平台都有一個明确的格式，這些資訊用于在建構過程中識别要使用的不同工具的正确版本。是以，當在一個特定目标機下運作GCC時，GCC便在目錄路徑中查找包含該目标規範的應用程式路徑。GNU的目标規範格式為CPU-PLATFORM -OS。例如x86/i386 目标機名為i686-pc-linux-gnu。本章的目的是講述建立基于ARM平台的交叉工具鍊，是以目标平台名為arm-linux-gnu。

通常建構交叉工具鍊有3種方法。

方法一 分步編譯和安裝交叉編譯工具鍊所需要的庫和源代碼，最終生成交叉編譯工具鍊。該方法相對比較困難，适合想深入學習建構交叉工具鍊的讀者。如果隻是想使用交叉工具鍊，建議使用方法二或方法三建構交叉工具鍊。

方法二 通過Crosstool腳本工具來實作一次編譯生成交叉編譯工具鍊，該方法相對于方法一要簡單許多，并且出錯的機會也非常少，建議大多數情況下使用該方法建構交叉編譯工具鍊。

方法三 直接通過網上（ftp.arm.kernel.org.uk）下載下傳已經制作好的交叉編譯工具鍊。該方法的優點不用多說，當然是簡單省事，但與此同時該方法有一定的弊端就是局限性太大，因為畢竟是别人建構好的，也就是固定的沒有靈活性，是以建構所用的庫以及編譯器的版本也許并不适合你要編譯的程式，同時也許會在使用時出現許多莫名的錯誤，建議讀者慎用此方法。

為了讓讀者真正的學習交叉編譯工具鍊的建構，下面将重點詳細地介紹前兩種建構ARM Linux交叉編譯工具鍊的方法。

分步建構交叉編譯鍊

分步建構，顧名思義就是一步一步地建立交叉編譯鍊，不同于2.2.2節中講述的Crosstool腳本工具一次編譯生成的方法，該方法适合那些希望深入學習了解建構交叉編譯工具鍊的讀者。該方法相對來說難度較大，通常情況下困難重重，猶如唐僧西天取經，不過本文會盡可能詳細地介紹建構的每一個步驟，讀者完全可以根據本節的内容自己獨立實踐，建構自己的交叉工具鍊。該過程所需的時間較長，希望讀者有較強的耐心和毅力去學習和實踐它，通過實踐可以使讀者更加清楚交叉編譯器的建構過程以及各個工具包的作用。該方法所需資源如表2.1所示。

安裝包 下載下傳位址 安裝包 下載下傳位址 

linux-2.6.10.tar.gz ftp.kernel.org glibc-2.3.2.tar.gz ftp.gnu.org 

binutils-2.15.tar.bz2 ftp.gnu.org glibc-linuxthreads-2.3.2.tar.gz ftp.gnu.org 

gcc-3.3.6.tar.gz ftp.gnu.org  

通過相關站點下載下傳以上資源後，就可以開始建立交叉編譯工具鍊了。

1．建立工作目錄

首先建立工作目錄，工作目錄就是在什麼目錄下建構交叉工具鍊，目錄的建構一般沒有特别的要求，可以根據個人喜好建立。以下所建立的目錄是作者自定義的，目前的使用者定義為mike，是以使用者目錄為/home/mike，在使用者目錄下首先建立一個工作目錄（armlinux），建立工作目錄的指令行操作如下：

# cd /home/mike

# mkdir armlinux

再在這個工作目錄armlinux下建立3個目錄 build-tools、kernel 和 tools。具體操作如下：

# cd armlinux

# mkdir build-tools kernel tools

其中各目錄的作用如下。

  ● build-tools 用來存放下載下傳的binutils、gcc、glibc等源代碼和用來編譯這些源代碼的目錄；

  ● kernel 用來存放核心源代碼；

  ● tools 用來存放編譯好的交叉編譯工具和庫檔案。

2．建立環境變量

該步驟的目的是為了友善重複輸入路徑，因為重複操作每件相同的事情總會讓人覺得很麻煩，如果讀者不習慣使用環境變量就可以略過該步，直接輸入絕對路徑就可以。聲明以下環境變量的目的是在之後編譯工具庫的時候會用到，很友善輸入，尤其是可以降低輸錯路徑的風險。

# export PRJROOT=/home/mike/armlinux

# export TARGET=arm-linux

# export PREFIX=$PRJROOT/tools

# export TARGET_PREFIX=$PREFIX/$TARGET

# export PATH=$PREFIX/binPATH

注意，用export聲明的變量是臨時的變量，也就是當登出或更換了控制台，這些環境變量就消失了，如果還需要使用這些環境變量就必須重複export操作，是以有時會很麻煩。值得慶幸的是，環境變量也可以定義在bashrc檔案中，這樣當登出或更換控制台時，這些變量就一直有效，就不用老是export 這些變量了。

3．編譯、安裝Binutils

Binutils 是GNU工具之一，它包括連接配接器、彙編器和其他用于目标檔案和檔案的工具，它是二進制代碼的處理維護工具。安裝Binutils工具包含的程式有 addr2line、ar、as、c++filt、gprof、ld、nm、objcopy、objdump、ranlib、readelf、size、 strings、strip、libiberty、libbfd和libopcodes。對這些程式的簡單解釋如下。

  ● addr2line 把程式位址轉換為檔案名和行号。在指令行中給它一個位址和一個可執行檔案名，它就會使用這個可執行檔案的調試資訊指出在給出的位址上是哪個檔案以及行号。

  ● ar 建立、修改、提取歸檔檔案。歸檔檔案是包含多個檔案内容的一個大檔案，其結構保證了可以恢複原始檔案内容。

  ● as 主要用來編譯GNU C編譯器gcc輸出的彙編檔案，産生的目标檔案由連接配接器ld連接配接。

  ● c++filt 連接配接器使用它來過濾 C++ 和 Java 符号，防止重載函數沖突。

  ● gprof 顯示程式調用段的各種資料。

  ● ld 是連接配接器，它把一些目标和歸檔檔案結合在一起，重定位資料，并連接配接符号引用。通常，建立一個新編譯程式的最後一步就是調用ld。

  ● nm 列出目标檔案中的符号。

  ● objcopy 把一種目标檔案中的内容複制到另一種類型的目标檔案中。

  ● objdump 顯示一個或者更多目标檔案的資訊。使用選項來控制其顯示的資訊，它所顯示的資訊通常隻有編寫編譯工具的人才感興趣。

  ● ranlib 産生歸檔檔案索引，并将其儲存到這個歸檔檔案中。在索引中列出了歸檔檔案各成員所定義的可重配置設定目标檔案。

  ● readelf 顯示elf格式可執行檔案的資訊。

  ● size 列出目标檔案每一段的大小以及總體的大小。預設情況下，對于每個目标檔案或者一個歸檔檔案中的每個子產品隻産生一行輸出。

  ● strings 列印某個檔案的可列印字元串，這些字元串最少4個字元長，也可以使用選項-n設定字元串的最小長度。預設情況下，它隻列印目标檔案初始化和可加載段中的可列印字元；對于其他類型的檔案它列印整個檔案的可列印字元。這個程式對于了解非文本檔案的内容很有幫助。

  ● strip 丢棄目标檔案中的全部或者特定符号。

  ● libiberty 包含許多GNU程式都會用到的函數，這些程式有getopt、obstack、strerror、strtol和strtoul。

  ● libbfd 二進制檔案描述庫。

  ● libopcode 用來處理opcodes的庫，在生成一些應用程式的時候也會用到它。

Binutils工具安裝依賴于Bash、Coreutils、Diffutils、GCC、Gettext、Glibc、Grep、Make、Perl、Sed、Texinfo等工具。

介紹完Binutils工具後，下面将分步介紹安裝binutils-2.15的過程。

首先解壓binutils-2.15.tar.bz2包，指令如下：

# cd $PRJROOT/build-tools

# tar –xjvf binutils-2.15.tar.bz2

接着配置Binutils工具，建議建立一個新的目錄用來存放配置和編譯檔案，這樣可以使源檔案和編譯檔案獨立開，具體操作如下：

# mkdir build-binutils

# cd build-binutils

# ../ binutils-2.15/configure --target=$TARGET --prefix=$PREFIX

其中選項–target的意思是制定生成的是 arm-linux 的工具，--prefix 是指出可執行檔案安裝的位置。執行上述操作會出現很多check資訊，最後産生 Makefile 檔案。接下來執行make和安裝操作，指令如下：

# make

# make install

該編譯過程較慢，需要數十分鐘，安裝完成後檢視/home/mike/armlinux/tools/bin目錄下的檔案，如果檢視結果如下，表明此時Binutils工具已經安裝結束。

# ls $PREFIX/bin

arm-linux-addr2line arm-linux-ld arm-linux-ranlib arm-linux-strip

arm-linux-ar arm-linux-nm arm-linux-readelf

arm-linux-as arm-linux-objcopy arm-linux-size

arm-linux-c++filt arm-linux-objdump arm-linux-strings

4．獲得核心頭檔案

編譯器需要通過系統核心的頭檔案來獲得目标平台所支援的系統函數調用所需要的資訊。對于Linux核心，最好的方法是下載下傳一個合适的核心，然後複制獲得頭檔案。需要對核心做一個基本的配置來生成正确的頭檔案；不過，不需要編譯核心。對于本例中的目标arm-linux，需要以下步驟。

（1）在kernel目錄下解壓linux-2.6.10.tar.gz核心包，執行指令如下：

# cd $PRJROOT/kernel

# tar –xvzf linux-2.6.10.tar.gz

（2）接下來配置編譯核心使其生成正确的頭檔案，執行指令如下：

# cd linux-2.6.10

# make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- menuconfig

其中ARCH=arm表示是以arm為體系結構，CROSS_COMPILE=arm-linux-表示是以arm-linux-為字首的交叉編譯器。也可以用config和xconfig來代替menuconfig，推薦用make menuconfig，這也是核心開發人員用的最多的配置方法。注意在配置時一定要選擇處理器的類型，這裡選擇三星的S3C2410（System Type->ARM System Type->/Samsung S3C2410），如圖2.1所示。配置完退出并儲存，檢查一下核心目錄中的include/linux/version.h和 include/linux/autoconf.h檔案是不是生成了，這是編譯glibc時要用到的，如果version.h 和 autoconf.h 檔案存在，說明生成了正确的頭檔案。

複制頭檔案到交叉編譯工具鍊的目錄，首先需要在/home/mike/armlinux/tools/arm-linux目錄下建立工具的頭檔案目錄inlcude，然後複制核心頭檔案到此目錄下，具體操作如下：

# mkdir –p $TARGET_PREFIX/include

# cp –r $PRJROOT/kernel/linux-2.6.10/include/linux $TARGET_PREFIX/include

# cp –r $PRJROOT/kernel/linux-2.6.10/include/asm-arm $TARGET_PREFIX/include/asm

5．編譯安裝boot-trap gcc

這一步的目的主要是建立arm-linux-gcc工具，注意這個gcc沒有glibc庫的支援，是以隻能用于編譯核心、BootLoader等不需要C庫支援的程式，後面建立C庫也要用到這個編譯器，是以建立它主要是為建立C庫做準備，如果隻想編譯核心和BootLoader，那麼安裝完這個就可以到此結束。安裝指令如下：

# tar –xvzf gcc-3.3.6.tar.gz

# mkdir build-gcc  

# cd gcc-3.3.6

# vi gcc/config/arm/t-linux

由于是第一次安裝ARM交叉編譯工具，沒有支援libc庫的頭檔案，是以在gcc/config/arm/t- linux檔案中給變量TARGET_LIBGCC2_CFLAGS增加操作參數選項-Dinhibit_libc -D__gthr_ posix_h來屏蔽使用頭檔案，否則一般預設會使用/usr/inlcude頭檔案。

将TARGET_LIBGCC2-CFLAGS = -fomit-frame-pointer –fPIC改為TARGET_LIBGCC2- CFLAGS=-fomit-frame-pointer–fPIC -Dinhibit_libc -D__gthr_posix_h

修改完t-linux檔案後儲存，緊接着執行配置操作，如下指令：

# cd build-gcc

# ../ build-gcc /configure --target=$TARGET --prefix=$PREFIX --enable-languages=c

--disable-threads --disable-shared

其中選項--enable-languages=c表示隻支援C語言，--disable-threads表示去掉thread功能，這個功能需要glibc的支援。--disable-shared表示隻進行靜态庫編譯，不支援共享庫編譯。

接下來執行編譯和安裝操作，指令如下：

安裝完成後，在/home/mike/armlinux/tools/bin下檢視，如果arm-linux-gcc等工具已經生成，表示boot-trap gcc工具已經安裝成功。

6．建立glibc庫

glibc是GUN C庫，它是編譯Linux系統程式很重要的組成部分。安裝glibc-2.3.2版本之前推薦先安裝以下的工具：

  ● GNU make 3.79或更新；

  ● GCC 3.2或更新；

  ● GNU binutils 2.13或更新。

首先解壓glibc-2.2.3.tar.gz和glibc-linuxthreads-2.2.3.tar.gz源代碼，操作如下：

# tar -xvzf glibc-2.2.3.tar.gz

# tar -xzvf glibc-linuxthreads-2.2.3.tar.gz --directory=glibc-2.2.3

然後進行編譯配置，glibc-2.2.3配置前必須建立一個編譯目錄，否則在glibc-2.2.3目錄下不允許進行配置操作，此處在$PRJROOT/build-tools目錄下建立名為build-glibc的目錄，配置操作 如下：

# mkdir build-glibc

# cd build-glibc

# CC=arm-linux-gcc ../glibc-2.2.3 /configure --host=$TARGET --prefix="/usr"

--enable-add-ons --with-headers=$TARGET_PREFIX/include

選項CC=arm-linux-gcc是把CC（Cross Compiler）變量設成剛編譯完的gcc，用它來編譯glibc。--prefix="/usr"定義了一個目錄用于安裝一些與目标機器無關的資料檔案，預設情況下是/usr/local目錄。--enable-add-ons是告訴glibc用linuxthreads包，在上面已經将它放入 glibc源代碼目錄中，這個選項等價于-enable-add-ons=linuxthreads。--with-headers告訴glibc linux核心頭檔案的目錄 位置。

配置完後就可以編譯和安裝 glibc了，具體操作如下：

7．編譯安裝完整的gcc

由于第一次安裝的gcc沒有交叉glibc的支援，現在已經安裝了glibc，是以需要重新編譯來支援交叉glibc。并且上面的gcc也隻支援C語言，現在可以讓它同時支援C語言還要和C++語言。具體操作如下：

# cd $PRJROOT/build-tools/gcc-2.3.6

# ./configure --target=arm-linux --enable-languages=c,c++ --prefix=$PREFIX

安裝完成後會發現在$PREFIX/bin目錄下又多了arm-linux-g++ 、arm-linux-c++等檔案。

arm-linux-addr2line arm-linux-g77 arm-linux-gnatbind arm-linux-ranlib

arm-linux-ar arm-linux-gcc arm-linux-jcf-dump arm-linux-readelf

arm-linux-as arm-linux-gcc-3.3.6 arm-linux-jv-scan arm-linux-size

arm-linux-c++ arm-linux-gccbug arm-linux-ld arm-linux-strings

arm-linux-c++filt arm-linux-gcj arm-linux-nm arm-linux-strip

arm-linux-cpp arm-linux-gcjh arm-linux-objcopy grepjar

arm-linux-g++ arm-linux-gcov arm-linux-objdump jar

8．測試交叉編譯工具鍊

到此為止，已經介紹完了用分步建構的方法建立交叉編譯工具鍊。下面通過一個簡單的程式測試剛剛建立的交叉編譯工具鍊看是否能夠正常工作。寫一個最簡單的hello.c源檔案，内容如下：

#include <stdio.h>

int main( )

{

  printf(“Hello,world!\n”);

  return 0;

}

通過以下指令進行編譯，編譯後生成名為hello的可執行檔案，通過file指令可以檢視檔案的類型。當顯示以下資訊時表明交叉工具鍊正常安裝了，通過編譯生成了ARM體系可執行的檔案。注意，通過該交叉編譯鍊編譯的可執行檔案隻能在ARM體系下執行，不能在基于X86的普通PC上執行。

# arm-linux-gcc –o hello hello.c

# file hello

hello: ELF 32-bit LSB executable, ARM, version 1 (ARM), for GNU/Linux 2.4.3,

dynamically linked (uses shared libs), not stripped

用Crosstool工具建構交叉工具鍊

Crosstool 是一組腳本工具集，可建構和測試不同版本的gcc和glibc，用于那些支援glibc的體系結構。它也是一個開源項目，下載下傳位址是http: //kegel.com/crosstool。用Crosstool建構交叉工具鍊要比上述的分步編譯容易得多，并且也友善許多，對于僅僅為了工作需要建構交叉編譯工具鍊的讀者建議使用此方法。用Crosstool工具建構所需資源如表2.2所示。

表2.2 所需資源

安裝包 下載下傳位址 

crosstool-0.42.tar.gz [url]http://kegel.com/crosstool [/url]

linux-2.6.10.tar.gz ftp.kernel.org 

binutils-2.15.tar.bz2 ftp.gnu.org 

gcc-3.3.6.tar.gz ftp.gnu.org 

glibc-2.3.2.tar.gz ftp.gnu.org 

glibc-linuxthreads-2.3.2.tar.gz ftp.gnu.org 

linux-libc-headers-2.6.12.0.tar.bz2 ftp.gnu.org 

1．準備資源檔案

首先從網上下載下傳所需資源檔案linux-2.6.10.tar.gz、binutils-2.15.tar.bz2、gcc-3.3.6.tar.gz、 glibc- 2.3.2.tar.gz、glibc-linuxthreads-2.3.2.tar.gz和linux-libc-headers- 2.6.12.0.tar.bz2。然後将這些工具封包件放在建立的/home/mike/downloads目錄下，最後在/home/mike目錄下解壓crosstool-0.42.tar.gz，指令如下：

# tar –xvzf crosstool-0.42.tar.gz

2．建立腳本檔案

接着需要建立自己的編譯腳本，起名為arm.sh，為了簡化編寫arm.sh，尋找一個最接近的腳本檔案demo-arm.sh作為模闆，然後将該腳本的内容複制到arm.sh，修改arm.sh腳本，具體操作如下：

# cd crosstool-0.42

# cp demo-arm.sh arm.sh

# vi arm.sh

修改後的arm.sh腳本内容如下：

#!/bin/sh

set -ex

TARBALLS_DIR=/home/mike/downloads # 定義工具鍊源碼所存放位置。

RESULT_TOP=/opt/crosstool # 定義工具鍊的安裝目錄

export TARBALLS_DIR RESULT_TOP

GCC_LANGUAGES="c,c++" # 定義支援C, C++語言

export GCC_LANGUAGES

# 建立/opt/crosstool目錄

mkdir -p $RESULT_TOP

# 編譯工具鍊，該過程需要數小時完成。

eval 'cat arm.dat gcc-3.3.6-glibc-2.3.2.dat' sh all.sh --notest

echo Done.

3．建立配置檔案

在arm.sh 腳本檔案中需要注意arm.dat和gcc-3.3.6-glibc-2.3.2.dat兩個檔案，這兩個檔案是作為Crosstool的編譯的配置檔案。其中arm.dat檔案内容如下，主要用于定義配置檔案、定義生成編譯工具鍊的名稱以及定義編譯選項等。

KERNELCONFIG='pwd'/arm.config # 核心的配置

TARGET=arm-linux- # 編譯生成的工具鍊名稱

TARGET_CFLAGS="-O" # 編譯選項

gcc-3.3.6-glibc-2.3.2.dat檔案内容如下，該檔案主要定義編譯過程中所需要的庫以及它定義的版本，如果在編譯過程中發現有些庫不存在時，Crosstool會自動在相關網站上下載下傳，該工具在這點上相對比較智能，也非常有用。

BINUTILS_DIR=binutils-2.15

GCC_DIR=gcc-3.3.6

GLIBC_DIR=glibc-2.3.2

GLIBCTHREADS_FILENAME=glibc-linuxthreads-2.3.2

LINUX_DIR=linux-2.6.10

LINUX_SANITIZED_HEADER_DIR=linux-libc-headers-2.6.12.0

4．執行腳本

将Crosstool的腳本檔案和配置檔案準備好之後，開始執行arm.sh腳本來編譯交叉編譯工具。具體執行指令如下：

# ./arm.sh 

經過數小時的漫長編譯之後，會在/opt/crosstool目錄下生成新的交叉編譯工具，其中包括以下内容：

arm-linux-addr2line arm-linux-g++ arm-linux-ld arm-linux-size

arm-linux-ar arm-linux-gcc arm-linux-nm arm-linux-strings

arm-linux-as arm-linux-gcc-3.3.6 arm-linux-objcopy arm-linux-strip

arm-linux-c++ arm-linux-gccbug arm-linux-objdump fix-embedded-paths

arm-linux-c++filt arm-linux-gcov arm-linux-ranlib

arm-linux-cpp arm-linux-gprof arm-linux-readelf

5．添加環境變量

然後将生成的編譯工具鍊路徑添加到環境變量PATH上去，添加的方法是在系統/etc/ bashrc檔案的最後添加下面一行，如圖2.2所示。

用Vi編輯器在bashrc檔案中添加環境變量

export PATH=/opt/crosstool/gcc-3.3.6-glibc-2.3.2/arm-linux/bin:$PATH 

設定完環境變量，也就意味着交叉編譯工具鍊已經建構完成，然後就可以用2.2.1.8節中的方法進行測試剛剛建立的工具鍊，此處就不用再贅述。