交叉编译器制作——需要的组件及作用

交叉编译器制作——需要的组件及作用

在一种计算机环境（称为host machine）中运行的编译程序，能编译出在另外一种环境（称为target machine）下运行的代码，叫做交叉编译。实现这个交叉编译的一系列工具，包括C函数库，内核文件，编译器，链接器，调试器，二进制工具……称为交叉编译工具链。
    实际上在进行嵌入式开发时，我们通常都会在主机上(host machine)使用开发板厂商提供的编译器，调试器。比如在windows上装环境调试51，61单片机，在Linux上用arm-gcc写arm开发板的程序……
    搭建交叉编译环境是一个非常繁琐并细致的过程。笔者就已嵌入式Linux交叉编译工具链的搭建为例，介绍下交叉编译工具的创建过程，和原理。

主机（hostmachine），Fedora 9 Linux,  
目标机（target machine），arm，mips，sh，ppc……

一，首先介绍下交叉编译工具链的组成部分。

1，编译器，汇编器。
    编译器是交叉编译工具链中最显眼的部分，因为平常我们与它打交道，写程序，编译成binary，下到开发板上。但是请注意，真正的编译器并不会把程序直接变成二进制文件，而是链接器在做这件事情。

    在Linux中，最常用的编译器就是传说中的gcc了，目前gcc已经到了4.4版本。编译器做的事情是把程序，翻译成目标机的汇编文件(.s)，然后调用二进制工具的汇编器（as），变成目标文件(.o)。

    严格的说，汇编器as并不属于编译器gcc，它和链接器ld属于二进制工具(binutils -- binary utilies)。

上一张图供大家理解（gcc.jpg）。

    什么是目标文件(.o)？目标文件本身是一种可链接的二进制文件，目前在System V系列系统中（Linux，Unix）常用的是ELF格式。简单的把.o画一下吧。


2，链接器。
    链接器是把多个目标文件变成二进制文件。这个文件，可以是可执行文件，也可以是一个动态链接库，也可以是一个可重定位的目标文件（更大的.o）。链接成的文件也是ELF格式。

    链接的过程非常复杂，但原理却又简单，后面可以讨论。链接器在Linux中用的是ld，和as一样，在binutils程序包中。

    ELF定义比较复杂，主要是对于链接来说分了很多的section，对于运行来说逻辑上有一些segment。如果大家想了解一下ELF格式，其实是有利于对整个系统的理解和高级调试的。需要时进行讨论。

3，内核文件。
    内核文件是指内核头文件。用途？实际上在编译程序（包括我们编译内核，甚至交叉编译工具链）的时候，通常要使用一些系统调用。内核头文件用于声明这些函数，以便链接器能够找到相应的程序入口。
    Linux中的内核头文件当然是在Linux Kernal 源码包里了，下载Linux Kernel后，即可安装头文件到某目录，供编译器及C库使用。请注意的是，内核头文件和二进制工具没有依赖关系。
    为什么要专门提出这一点？首先，有助于我们对交叉编译工具链各个环境的理解。其次，很多教材都是错的。原因：二进制工具，实际上是根据target machine的ABI接口对程序进行规范和抽象，并不关心到底程序在做什么。ABI=application binary interface，是system V系列系统汇编和硬件关系的接口标准。每个系列的处理器都有自己的ABI接口规范，ABI中定义了一些汇编使用规范和接口，如寄存器的使用，栈的组织，函数调用入口，数据对齐、格式，异常处理接口、信号规范等等等等。

4，C函数库。
     无论是编译内核，还是日常的程序，甚至编译一个C++的编译器，都需要C语言函数库的支持。比如，我malloc一块内存，我要知道怎么malloc，Linux Kernel中不会提供一个内存管理的工具。其次C库是可以更换的，无论是静态链接库还是动态链接库。由于C库的接口标准同意，就可以对库而不是整个系统进行升级。

     在嵌入式系统中，使用的C语言库比较多。最强大，也最huge，最完善的莫过于GNU的glibc了，glibc也是标准的C语言库，目前已经到了version 2.9。另外，由于嵌入式系统的灵活性，不可能将如此大的一个c库移植到一个系统中，就衍生了很多轻量级的c库，如uClibc，newlib。

     请注意，由于编译器是根据C语言库创建出来的，所以编译器是依赖于C库的。比如ARM中的gcc，我们一般看到两种，一种是arm-linux-*，一种是arm-linux-*。区别就在于，arm-linux-*一般是根据glibc创建出来的，只能够和glibc的库使用（你使用glibc 2.8 2.9的动、静态连接库没有关系，而不能使用别的c库），但不能使用，而arm-elf-*一般使用 uClibc或者使用redhat专门为嵌入式系统的开发的C库newlib。

     请注意C库有个C库的头文件需要安装，依赖于内核头文件。


5，调试器（可选）。
     调试器可以看作是补充的工具，当然，前提是你介于牛A和牛C之间。在编程中经常遇到这样那样的问题，有个调试器自然是最方便不过的了。目前支持各种环境的调试器最强的莫过于GDB了，GNU的gcc或许还对于某个平台优化的不好（例如x86环境下gcc编译出来的程序效率就不如intel自家的c++ complier），GDB在嵌入式上强大到一统江湖……

     但调试器并不只包括GDB，还有二进制工具中的objdump，address2line，readelf等。GDB依赖于内核头文件和C库。

    请注意在程序编译时必须加入一些调试信息，才能够使用调试器。常用的调试信息格式有stabs/stabs+, coff/xcoff/xcoff+, dwarf/dwarf+，怎么把这些信息加到程序中可以在gcc里面通过-g选项打开，一般貌似也用不到太深入的……需要用到时候在讨论吧。

二，创建交叉编译工具链。

    创建交叉编译工具链有一些基本步骤。无论是Linux还是其他系统，原理是相通的。可以参考《构建嵌入式操作系统》
    可以参考youbest的CLFS2.0原理分析，CLFS也是一个著名的crosstoolhttp://www.linuxsir.org/bbs/showthread.php?t=267672
    主要步骤是

• 安装交叉编译内核头文件/安装交叉编译的binutils （不分先后）
• 安装target machine c库头文件。
• 通过内核、C头文件和binutils安装gcc的c交叉编译器(bootstrap gcc)
• 编译交叉编译的c库
• 通过c库，头文件，编译出gcc的c++编译器。
• 安装gdb

    对于板子的不同，需要更改的地方是：C库中内存map，kernel header中的各中断，内存映射地址……这些难度较大，都能写一本书了。一般来说抄公版设计，应用标准的C库及kernel header(各平台会以补丁的形式发布)。用到时再讨论吧。