構建ARM Linux交叉編譯工具鏈

讀者可能會有疑問，爲什麼要用交叉編譯器？交叉編譯通俗地講就是在一種平臺上編譯出能運行在體系結構不同的另一種平臺上的程序，比如在PC平臺（X86 CPU）上編譯出能運行在以ARM爲內核的CPU平臺上的程序，編譯得到的程序在X86 CPU平臺上是不能運行的，必須放到ARM CPU平臺上才能運行，雖然兩個平臺用的都是Linux系統。這種方法在異平臺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，也就是在當前平臺編譯，編譯得到的程序也是在本地執行。用來編譯這種跨平臺程序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。所以要生成在目標機上運行的程序，必須要用交叉編譯工具鏈來完成。在裁減和定製Linux內核用於嵌入式系統之前，由於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上建立一個用於目標機的交叉編譯工具鏈，用該交叉編譯工具鏈在PC上編譯目標機上要運行的程序。交叉編譯工具鏈是一個由編譯器、連接器和解釋器組成的綜合開發環境，交叉編譯工具鏈主要由binutils、gcc和glibc 3個部分組成。有時出於減小 libc 庫大小的考慮，也可以用別的 c 庫來代替 glibc，例如 uClibc、dietlibc 和 newlib。建立交叉編譯工具鏈是一個相當複雜的過程，如果不想自己經歷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鏈可以下載，但就以學習爲目的來說讀者有必要學習自己製作一個交叉編譯工具鏈。本章通過具體的實例講述基於ARM的嵌入式Linux交叉編譯工具鏈的製作過程。
2.2  構建ARM Linux交叉編譯工具鏈
構建交叉編譯器的第一個步驟就是確定目標平臺。在GNU系統中，每個目標平臺都有一個明確的格式，這些信息用於在構建過程中識別要使用的不同工具的正確版本。因此，當在一個特定目標機下運行GCC時，GCC便在目錄路徑中查找包含該目標規範的應用程序路徑。GNU的目標規範格式爲CPU-PLATFORM-OS。例如x86/i386 目標機名爲i686-pc-linux-gnu。本章的目的是講述建立基於ARM平臺的交叉工具鏈，所以目標平臺名爲arm-linux-gnu。
通常構建交叉工具鏈有3種方法。
方法一  分步編譯和安裝交叉編譯工具鏈所需要的庫和源代碼，最終生成交叉編譯工具鏈。該方法相對比較困難，適合想深入學習構建交叉工具鏈的讀者。如果只是想使用交叉工具鏈，建議使用方法二或方法三構建交叉工具鏈。
方法二  通過Crosstool腳本工具來實現一次編譯生成交叉編譯工具鏈，該方法相對於方法一要簡單許多，並且出錯的機會也非常少，建議大多數情況下使用該方法構建交叉編譯工具鏈。
方法三  直接通過網上（ftp.arm.kernel.org.uk）下載已經製作好的交叉編譯工具鏈。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侷限性太大，因爲畢竟是別人構建好的，也就是固定的沒有靈活性，所以構建所用的庫以及編譯器的版本也許並不適合你要編譯的程序，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。
爲了讓讀者真正的學習交叉編譯工具鏈的構建，下面將重點詳細地介紹前兩種構建ARM Linux交叉編譯工具鏈的方法。
2.2.1  分步構建交叉編譯鏈
分步構建，顧名思義就是一步一步地建立交叉編譯鏈，不同於2.2.2節中講述的Crosstool腳本工具一次編譯生成的方法，該方法適合那些希望深入學習瞭解構建交叉編譯工具鏈的讀者。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，不過本文會儘可能詳細地介紹構建的每一個步驟，讀者完全可以根據本節的內容自己獨立實踐，構建自己的交叉工具鏈。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構建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。
表2.1  所需資源

安裝包	下載地址	安裝包	下載地址
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

通過相關站點下載以上資源後，就可以開始建立交叉編譯工具鏈了。
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構建交叉工具鏈，目錄的構建一般沒有特別的要求，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，當前的用戶定義爲mike，因此用戶目錄爲/home/mike，在用戶目錄下首先建立一個工作目錄（armlinux），建立工作目錄的命令行操作如下：
# 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  用來存放內核源代碼；
  ● tools  用來存放編譯好的交叉編譯工具和庫文件。
2．建立環境變量
該步驟的目的是爲了方便重複輸入路徑，因爲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，很方便輸入，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/bin:$PATH
注意，用export聲明的變量是臨時的變量，也就是當註銷或更換了控制檯，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，所以有時會很麻煩。值得慶幸的是，環境變量也可以定義在bashrc文件中，這樣當註銷或更換控制檯時，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，它包括連接器、彙編器和其他用於目標文件和檔案的工具，它是二進制代碼的處理維護工具。安裝Binutils工具包含的程序有addr2line、ar、as、c++filt、gprof、ld、nm、objcopy、objdump、ranlib、readelf、size、strings、strip、libiberty、libbfd和libopcodes。對這些程序的簡單解釋如下。
  ● addr2line  把程序地址轉換爲文件名和行號。在命令行中給它一個地址和一個可執行文件名，它就會使用這個可執行文件的調試信息指出在給出的地址上是哪個文件以及行號。
  ● ar  建立、修改、提取歸檔文件。歸檔文件是包含多個文件內容的一個大文件，其結構保證了可以恢復原始文件內容。
  ● as  主要用來編譯GNU C編譯器gcc輸出的彙編文件，產生的目標文件由連接器ld連接。
  ● c++filt  連接器使用它來過濾 C++ 和 Java 符號，防止重載函數衝突。
  ● gprof  顯示程序調用段的各種數據。
  ● ld  是連接器，它把一些目標和歸檔文件結合在一起，重定位數據，並連接符號引用。通常，建立一個新編譯程序的最後一步就是調用ld。
  ● nm  列出目標文件中的符號。
  ● objcopy  把一種目標文件中的內容複製到另一種類型的目標文件中。
  ● objdump  顯示一個或者更多目標文件的信息。使用選項來控制其顯示的信息，它所顯示的信息通常只有編寫編譯工具的人才感興趣。
  ● ranlib  產生歸檔文件索引，並將其保存到這個歸檔文件中。在索引中列出了歸檔文件各成員所定義的可重分配目標文件。
  ● readelf  顯示elf格式可執行文件的信息。
  ● size  列出目標文件每一段的大小以及總體的大小。默認情況下，對於每個目標文件或者一個歸檔文件中的每個模塊只產生一行輸出。
  ● strings  打印某個文件的可打印字符串，這些字符串最少4個字符長，也可以使用選項-n設置字符串的最小長度。默認情況下，它只打印目標文件初始化和可加載段中的可打印字符；對於其他類型的文件它打印整個文件的可打印字符。這個程序對於瞭解非文本文件的內容很有幫助。
  ● strip  丟棄目標文件中的全部或者特定符號。
  ● libiberty  包含許多GNU程序都會用到的函數，這些程序有getopt、obstack、strerror、strtol和strtoul。
  ● libbfd  二進制文件描述庫。
  ● libopcode  用來處理opcodes的庫，在生成一些應用程序的時候也會用到它。
Binutils工具安裝依賴於Bash、Coreutils、Diffutils、GCC、Gettext、Glibc、Grep、Make、Perl、Sed、Texinfo等工具。
介紹完Binutils工具後，下面將分步介紹安裝binutils-2.15的過程。
首先解壓binutils-2.15.tar.bz2包，命令如下：
# 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文件，這樣可以使源文件和編譯文件獨立開，具體操作如下：
# cd $PRJROOT/build-tools
# mkdir build-binutils
# cd build-binutils
# ../ binutils-2.15/configure --target=$TARGET --prefix=$PREFIX
其中選項–target的意思是制定生成的是 arm-linux 的工具，--prefix 是指出可執行文件安裝的位置。執行上述操作會出現很多check信息，最後產生 Makefile 文件。接下來執行make和安裝操作，命令如下：
# make
# make install
該編譯過程較慢，需要數十分鐘，安裝完成後查看/home/mike/armlinux/tools/bin目錄下的文件，如果查看結果如下，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．獲得內核頭文件
編譯器需要通過系統內核的頭文件來獲得目標平臺所支持的系統函數調用所需要的信息。對於Linux內核，最好的方法是下載一個合適的內核，然後複製獲得頭文件。需要對內核做一個基本的配置來生成正確的頭文件；不過，不需要編譯內核。對於本例中的目標arm-linux，需要以下步驟。
（1）在kernel目錄下解壓linux-2.6.10.tar.gz內核包，執行命令如下：
# cd $PRJROOT/kernel
# tar –xvzf linux-2.6.10.tar.gz
（2）接下來配置編譯內核使其生成正確的頭文件，執行命令如下：
# cd linux-2.6.10
# make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- menuconfig
其中ARCH=arm表示是以arm爲體系結構，CROSS_COMPILE=arm-linux-表示是以arm-linux-爲前綴的交叉編譯器。也可以用config和xconfig來代替menuconfig，推薦用make menuconfig，這也是內核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，這裏選擇三星的S3C2410（System Type->ARM System Type->/Samsung S3C2410），如圖2.1所示。配置完退出並保存，檢查一下內核目錄中的include/linux/version.h和include/linux/autoconf.h文件是不是生成了，這是編譯glibc時要用到的，如果version.h 和 autoconf.h 文件存在，說明生成了正確的頭文件。

圖2.1  Linux 2.6.10內核配置界面
複製頭文件到交叉編譯工具鏈的目錄，首先需要在/home/mike/armlinux/tools/arm-linux目錄下建立工具的頭文件目錄inlcude，然後複製內核頭文件到此目錄下，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庫的支持，所以只能用於編譯內核、BootLoader等不需要C庫支持的程序，後面創建C庫也要用到這個編譯器，所以創建它主要是爲創建C庫做準備，如果只想編譯內核和BootLoader，那麼安裝完這個就可以到此結束。安裝命令如下：
# cd $PRJROOT/build-tools
# tar –xvzf gcc-3.3.6.tar.gz
# mkdir build-gcc     
# cd gcc-3.3.6
# vi gcc/config/arm/t-linux
由於是第一次安裝ARM交叉編譯工具，沒有支持libc庫的頭文件，所以在gcc/config/arm/t- linux文件中給變量TARGET_LIBGCC2_CFLAGS增加操作參數選項-Dinhibit_libc  -D__gthr_ posix_h來屏蔽使用頭文件，否則一般默認會使用/usr/inlcude頭文件。
將TARGET_LIBGCC2-CFLAGS = -fomit-frame-pointer –fPIC改爲TARGET_LIBGCC2- CFLAGS=-fomit-frame-pointer–fPIC -Dinhibit_libc -D__gthr_posix_h
修改完t-linux文件後保存，緊接着執行配置操作，如下命令：
# cd build-gcc
# ../ build-gcc /configure --target=$TARGET --prefix=$PREFIX --enable-languages=c
--disable-threads --disable-shared
其中選項--enable-languages=c表示只支持C語言，--disable-threads表示去掉thread功能，這個功能需要glibc的支持。--disable-shared表示只進行靜態庫編譯，不支持共享庫編譯。
接下來執行編譯和安裝操作，命令如下：
# make
# make install
安裝完成後，在/home/mike/armlinux/tools/bin下查看，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系統程序很重要的組成部分。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：
# cd $PRJROOT/build-tools
# tar -xvzf glibc-2.2.3.tar.gz
# tar -xzvf glibc-linuxthreads-2.2.3.tar.gz --directory=glibc-2.2.3
然後進行編譯配置，glibc-2.2.3配置前必須新建一個編譯目錄，否則在glibc-2.2.3目錄下不允許進行配置操作，此處在$PRJROOT/build-tools目錄下建立名爲build-glibc的目錄，配置操作    如下：
# cd $PRJROOT/build-tools
# mkdir build-glibc
# cd build-glibc
# CC=arm-linux-gcc ../glibc-2.2.3 /configure --host=$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"定義了一個目錄用於安裝一些與目標機器無關的數據文件，默認情況下是/usr/local目錄。--enable-add-ons是告訴glibc用linuxthreads包，在上面已經將它放入glibc源代碼目錄中，這個選項等價於-enable-add-ons=linuxthreads。--with-headers告訴glibc linux內核頭文件的目錄    位置。
配置完後就可以編譯和安裝 glibc了，具體操作如下：
# make
# make install
7．編譯安裝完整的gcc
由於第一次安裝的gcc沒有交叉glibc的支持，現在已經安裝了glibc，所以需要重新編譯來支持交叉glibc。並且上面的gcc也只支持C語言，現在可以讓它同時支持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
# make
# make install
安裝完成後會發現在$PREFIX/bin目錄下又多了arm-linux-g++ 、arm-linux-c++等文件。
# ls $PREFIX/bin
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．測試交叉編譯工具鏈
到此爲止，已經介紹完了用分步構建的方法建立交叉編譯工具鏈。下面通過一個簡單的程序測試剛剛建立的交叉編譯工具鏈看是否能夠正常工作。寫一個最簡單的hello.c源文件，內容如下：
#include <stdio.h>
int main( )
{
     printf(“Hello,world!\n”);
     return 0;
}
通過以下命令進行編譯，編譯後生成名爲hello的可執行文件，通過file命令可以查看文件的類型。當顯示以下信息時表明交叉工具鏈正常安裝了，通過編譯生成了ARM體系可執行的文件。注意，通過該交叉編譯鏈編譯的可執行文件只能在ARM體系下執行，不能在基於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

2.2.2  用Crosstool工具構建交叉工具鏈
Crosstool是一組腳本工具集，可構建和測試不同版本的gcc和glibc，用於那些支持glibc的體系結構。它也是一個開源項目，下載地址是http://kegel.com/crosstool。用Crosstool構建交叉工具鏈要比上述的分步編譯容易得多，並且也方便許多，對於僅僅爲了工作需要構建交叉編譯工具鏈的讀者建議使用此方法。用Crosstool工具構建所需資源如表2.2所示。
表2.2  所需資源

安裝包	下載地址
crosstool-0.42.tar.gz	http://kegel.com/crosstool
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．準備資源文件
首先從網上下載所需資源文件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。然後將這些工具包文件放在新建的/home/mike/downloads目錄下，最後在/home/mike目錄下解壓crosstool-0.42.tar.gz，命令如下：
# cd /home/mike
# tar –xvzf crosstool-0.42.tar.gz
2．建立腳本文件
接着需要建立自己的編譯腳本，起名爲arm.sh，爲了簡化編寫arm.sh，尋找一個最接近的腳本文件demo-arm.sh作爲模板，然後將該腳本的內容複製到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腳本內容如下：
#!/bin/sh
set -ex
TARBALLS_DIR=/home/mike/downloads   # 定義工具鏈源碼所存放位置。
RESULT_TOP=/opt/crosstool            # 定義工具鏈的安裝目錄
export TARBALLS_DIR RESULT_TOP
GCC_LANGUAGES="c,c++"                # 定義支持C, C++語言
export GCC_LANGUAGES
# 創建/opt/crosstool目錄
mkdir -p $RESULT_TOP
# 編譯工具鏈，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．建立配置文件
在arm.sh腳本文件中需要注意arm.dat和gcc-3.3.6-glibc-2.3.2.dat兩個文件，這兩個文件是作爲Crosstool的編譯的配置文件。其中arm.dat文件內容如下，主要用於定義配置文件、定義生成編譯工具鏈的名稱以及定義編譯選項等。
KERNELCONFIG='pwd'/arm.config  # 內核的配置
TARGET=arm-linux-                # 編譯生成的工具鏈名稱
TARGET_CFLAGS="-O"                # 編譯選項
gcc-3.3.6-glibc-2.3.2.dat文件內容如下，該文件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，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
將Crosstool的腳本文件和配置文件準備好之後，開始執行arm.sh腳本來編譯交叉編譯工具。具體執行命令如下：
# cd crosstool-0.42
# ./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，其中包括以下內容：
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
然後將生成的編譯工具鏈路徑添加到環境變量PATH上去，添加的方法是在系統/etc/ bashrc文件的最後添加下面一行，如圖2.2所示。

圖2.2  用Vi編輯器在bashrc文件中添加環境變量
export PATH=/opt/crosstool/gcc-3.3.6-glibc-2.3.2/arm-linux/bin:$PATH  
設置完環境變量，也就意味着交叉編譯工具鏈已經構建完成，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鏈，此處就不用再贅述。