摘要

以構(gòu)建mips嵌入式交叉編譯工具mipself-*為例，詳細(xì)說明了如何在Linux系統(tǒng)下使用newlib庫創(chuàng)建靈活配置的嵌入式交叉編譯工具的通用方法。該方法具有速度快方便移植的特點，可以用于創(chuàng)建arm，ppc以及mips64交叉編譯工具！

引言

隨著嵌入式電子產(chǎn)品的大量應(yīng)用以及Linux操作系統(tǒng)的廣泛使用，基于Linux操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)環(huán)境已經(jīng)越來越多的企業(yè)、學(xué)校以及科研機(jī)構(gòu)中使用。交叉編譯器能夠在一個平臺上生成另一個平臺上的可執(zhí)行代碼，它是嵌入式開發(fā)環(huán)境中必不可少的工具。
目前，大多數(shù)嵌入式交叉編譯工具都基于glibc和Linux內(nèi)核構(gòu)建的ARCH-linux-(ARCH可以是ppc，mips或mips64)形式的交叉編譯器。這種交叉編譯器主要針對運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的機(jī)器，它依賴于指定的C語言庫glibc，且需要有MMU的支持，使得這種編譯器編譯出來的目標(biāo)文件占用較大空間。
本文構(gòu)建的交叉編譯工具鏈采用ARCH-elf-。其特點是：

1. 靈活性強(qiáng)，ARCH-elf-*是一個獨立的編譯體系，不依賴于指定的C語言庫glibc，可以使用newlib等其他C語言庫，不需要操作系統(tǒng)的支持，可移植到很多CPU結(jié)構(gòu)上。
2. 支持基于UCLinux的操作系統(tǒng)，且不需要MMU支持，編譯出來的目標(biāo)文件占空間相對要少。
3. 速度比ARCH-linux-*要快。

編譯前的準(zhǔn)備

cygwin環(huán)境的搭建

cygwin是一個在Windows平臺下運(yùn)行的Unix模擬環(huán)境，是cygnus solutions公司開發(fā)的自由軟件。他們寫了一個共享庫，也就是cygwin1.dll，把win32api中沒有的Unix風(fēng)格的調(diào)用封裝在里面。

也就是說，他們基于win32api寫了一個Unix系統(tǒng)庫的模擬層。這樣，只要把這些工具的源代碼和這個共享庫連接在一起，就可以使用Unix主機(jī)上的交叉編譯器來生成可以在Windows平臺上運(yùn)行的工具集。

以這些移植到Windows平臺上的開發(fā)工具為基礎(chǔ)，cygnus又逐步把其他的工具軟件移植到Windows上來。我們也可以查看cygwin官網(wǎng)，上面寫道：

cygwin 是：
提供在Windows上實現(xiàn)Linux類似功能的gnu和開源工具的龐大工具集。
一個DLL(cygwin1.dll)提供POSIX API功能的東西。

我們可以在cygwin官網(wǎng)https://www.cygwin.com/下載它的安裝程序 setup-x86.exe。

cygwin的安裝教程很多，需要注意的一點是，當(dāng)我們選擇一個download set的時候，我們需要選擇一個國內(nèi)的鏡像地址，否則下載將會很慢。我們可以選擇：http://www.cygwin.cn。如果找不到這個地址，也可以使用阿里云鏡像http://mirrors.aliyun.com/cygwin/選擇完成后，點擊“下一步”即可。

Cygwin5.png

最后，我們選擇需要下載安裝的組件包，為了使我們安裝的Cygwin能夠編譯程序，我們需要安裝gcc編譯器，默認(rèn)情況下，gcc并不會被安裝，我們需要選中它來安裝。為了安裝gcc，我們用鼠標(biāo)點開組件列表中的“Devel”分支，在該分支下，有很多組件，我們必須的是：

• binutils
• gcc
• make
• gdb

安裝完成以后，打開cygwin，如果可以在里面執(zhí)行命令make，gcc等，則說明cygwin環(huán)境已經(jīng)搭建成功。

源代碼準(zhǔn)備

宿主機(jī)是用來開發(fā)和調(diào)試嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的計算機(jī)系統(tǒng)。宿主機(jī)硬件可以用PC機(jī)，配置linux操作系統(tǒng)。
Linux下的交叉編譯環(huán)境主要包括以下幾個重要部分：

1. 針對目標(biāo)系統(tǒng)的二進(jìn)制工具binutils
2. 針對目標(biāo)系統(tǒng)的動態(tài)編譯器gcc
3. 針對目標(biāo)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)C庫
   因此，在生成目標(biāo)機(jī)工具鏈的過程中，需要準(zhǔn)備如下源代碼：
4. 用于生成目標(biāo)系統(tǒng)的二進(jìn)制工具集binutils
5. 用于生成目標(biāo)系統(tǒng)的編譯器gcc源代碼，mpfr，gmp，mpc
6. newlib源代碼
7. make工具以及l(fā)inux內(nèi)核頭文件

準(zhǔn)備build目錄和安裝目錄

首先，將下載的源代碼放于/home/me/gnuu下并解壓源代碼文件，解壓后會生成binutils，gcc，newlib。然后建立相關(guān)目錄。

1.png

構(gòu)建過程

生成目標(biāo)二進(jìn)制工具

目標(biāo)系統(tǒng)的二進(jìn)制工具binutils是通過對源碼binutils--2.32進(jìn)行編譯和安裝而生成。生成的目標(biāo)系統(tǒng)二進(jìn)制工具，如ld、objdump等將安裝到/home/me/gnuu中。

修改binutils源碼

Bfd目錄下的config.bfd

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Gas目錄下的configure

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Gas目錄下的configure.ac

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Ld目錄下的configure.tgt

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什么是BFD

BFD是binary file descriptor library的簡稱，它的目標(biāo)是希望通過一種統(tǒng)一的接口來處理不同的目標(biāo)文件格式。

現(xiàn)在GCC（更具體地講是GNU匯編器GAS，GNU Assembler）、鏈接器ld、調(diào)試器GDB及binutils的其他工具都通過BFD庫來處理目標(biāo)文件，而不是直接操作目標(biāo)文件。這樣做最大的好處是將編譯器和鏈接器本身同具體的目標(biāo)文件格式隔離開來。

一旦我們需要支持一種新的目標(biāo)文件格式，只需要在BFD庫里面添加一種格式就可以了，而不需要修改編譯器和鏈接器。到目前為止，BFD庫支持大約25種處理器平臺，將近50種目標(biāo)文件格式。

我們利用objcopy(操作)，objdump（讀取、分析），readelf(讀取)，就是全仰仗BFD的功能。

什么是ABI

我們很熟悉API，如果我們想使用某些庫或操作系統(tǒng)的功能，將使用API。API由數(shù)據(jù)類型/結(jié)構(gòu)，常量，函數(shù)等組成，您可以在代碼中使用它們來訪問該外部組件的功能。比如POSIX接口，就有一套它遵循的API標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)我們要使用一個POSIX接口，我們可以從其頭文件知道其接口名，以及參數(shù)類型和返回值類型，這些都是確定好的，我們使用時只能遵循它，而不能改變它。

ABI非常相似，可以將其視為API的編譯版本（或作為機(jī)器語言級別的API）。編寫源代碼時，可以通過API訪問庫。編譯代碼后，您的應(yīng)用程序?qū)⑼ㄟ^ABI訪問庫中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。ABI定義了編譯的應(yīng)用程序?qū)⒂糜谠L問外部庫的結(jié)構(gòu)和方法（就像API一樣），僅在較低級別上。

有時，ABI的變化是不可避免的。發(fā)生這種情況時，任何使用該庫的程序都將無法運(yùn)行，除非重新編譯它們以使用新版本的庫。如果ABI發(fā)生變化但API沒有變化，則新舊庫版本有時稱為“源兼容”。

ABI是一系列約定的集合，例如GNU/Linux約定函數(shù)調(diào)用的頭六個整型參數(shù)放在寄存器RDI, RSI, RDX, RCX, R8和R9上；其他額外的參數(shù)推入棧，返回值保存在RAX中?？梢哉f調(diào)用慣例(calling convention)就是ABI。因此，ABI是和具體CPU架構(gòu)和OS相關(guān)的。

舉個例子：

• o32與n64即純粹的32位與64位模式，二者除指針與變量類型的長度差異外，n64還用寄存器來傳遞更多的參數(shù)，性能有所提高。
• n32則是32位數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和64位指令的結(jié)合體。MIPS N32 ABI在保留 MIPS N64 ABI 的幾乎所有特性的情況下（主要是寄存器和堆棧中的函數(shù)參數(shù)傳遞約定），重點在于僅將long long與double類型編譯為64位，其余指針與變量類型設(shè)定與o32相同（例如，指針和long int是32位的），因此更接近MIPS N64 ABI。

在binbuild目錄下執(zhí)行

sudo ../binutils-2.32/configure --prefix=/home/me/gnuu/bininstall --target=mips-loongson-elf  --disable-nls --disable-werror --enable-shared --enable-threads=posix --enable-interwork --enable-multilib --enable-languages=c,c++,fortran
make
make install

通過源碼編譯編譯器，我們就會使用到Configure腳本配置工具，它是autoconf的工具的基本應(yīng)用。

'configure'腳本有大量的命令行選項。對不同的軟件包來說，這些選項可能會有變化，但是許多基本的選項是不會改變的。帶上'--help'選項執(zhí)行'configure'腳本可以看到可用的所有選項。盡管許多選項是很少用到的，但是當(dāng)你為了特殊的需求而configure一個包時，知道他們的存在是很有益處的。

--build=BUILD

指定軟件包安裝的系統(tǒng)平臺。如果沒有指定，默認(rèn)值將是'--host'選項的值。

--host=HOST

指定軟件運(yùn)行的系統(tǒng)平臺。如果沒有指定。將會運(yùn)行`config.guess'來檢測。

--target=GARGET

指定軟件面向(target to)的系統(tǒng)平臺。這主要在程序語言工具如編譯器和匯編器上下文中起作用。如果沒有指定，默認(rèn)將使用'--host'選項的值。

--prefix=PEWFIX

'--prefix'是最常用的選項。制作出的'Makefile'會查看隨此選項傳遞的參數(shù)，當(dāng)一個包在安裝時可以徹底的重新安置他的結(jié)構(gòu)獨立部分。

target選項用來指定目標(biāo)板的類型。由于本次編譯采用了newlib，且生成的編譯器可以獨立運(yùn)行，不需要linux系統(tǒng)支持，因此，目標(biāo)板的類型設(shè)置為mips-elf。如果需要構(gòu)建其它類型的目標(biāo)板，只需要用其它目標(biāo)類型替換mips即可，如arm、ppc等。Prefix選項用來指定安裝目錄。完成安裝后在/home/me/gnuu/bininstall/bin生成如下二進(jìn)制工具：

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生成靜態(tài)庫編譯器

靜態(tài)庫編譯器也稱自舉編譯器bootstrap compiler。因為這時并沒有mips的C語言庫可使用，所以只能先生成一個簡單的mips-elf-gcc編譯器，該編譯器只支持C語言的編譯。用該靜態(tài)編譯器對C語言庫進(jìn)行編譯后，再重新對編譯器進(jìn)行編譯，從而生成完整的交叉編譯工具。

編譯依賴庫

編譯gcc期間可能會存在軟件的依賴，因此需提前下載好gmp，mpfr，mpc庫，下載方法非常簡單。在/home/me/gnuu/gcc-7.4.0/contrib中，存在download_prerequisites這個腳本文件，執(zhí)行它，會自動安裝相關(guān)依賴庫。

xxx.png

在gccbuild目錄下執(zhí)行

sudo ../gcc-7.4.0/configure --target=mips-loongson-elf --enable-threads --disable-libmudflap --disable-libssp --disable-libstdcxx-pch --disable-hosted-libstdcxx --enable-version-specific-runtime-libs --disable-sjlj-exceptions --disable-symvers --enable-__cxa_atexit --disable-fixed-point --disable-decimal-float --enable-interwork --enable-multilib --with-gnu-as --with-gnu-ld  --with-newlib --enable-languages=c,c++ --enable-shared --disable-lto --disable-hosted-libstdcxx --prefix=/home/me/gnuu/gccinstall --with-gxx-include-dir=''\''/'\''include/c++/7.4' --disable-libgomp --disable-libitm --with-build-time-tools=/home/me/gnuu/bininstall/mips-loongson-elf/bin
make all-gcc                 //編譯靜態(tài)gcc
make install-gcc              //安裝靜態(tài)gcc

由于這里還沒有對庫文件進(jìn)行編譯，且對庫文件編譯時需要靜態(tài)編譯工具mips-elf-gcc；因此需要對gcc進(jìn)行編譯時可以不用with-header的選項。但是，為了下步進(jìn)行動態(tài)編譯時不在重新配置gcc，這里將動態(tài)配置時的選項增加進(jìn)來。其中，with-header指定的頭文件是newlib標(biāo)準(zhǔn)庫中的頭文件，而不再使用基于linux的C標(biāo)準(zhǔn)庫文件。Enable-language選項用于指定生成的交叉編譯工具對C和C++編程語言的支持。完成安裝后在/home/me/gnuu/gccinstall/bin中：

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利用靜態(tài)編譯工具編譯嵌入式庫文件

本文主要采用newlib庫取代glibc庫，從而生成一個不依賴于linux操作系統(tǒng)的靈活、方便的編譯器，對newlib的編譯主要是使用靜態(tài)編譯器對newlib進(jìn)行編譯，從而生成支持交叉編譯器的動態(tài)鏈接庫：

sudo ../newlib-3.1.0/configure --prefix=/home/me/gnuu/newinstall --target=mips-loongson-elf  --disable-nls --disable-werror --enable-shared --enable-threads=posix --enable-interwork --enable-multilib --enable-languages=c,c++,fortran
make
make install

生成交叉編譯工具鏈

在生成靜態(tài)gcc時，已經(jīng)添加了所有用到的選項，如使用newlib中的頭文件。生成對C和C++支持編譯器等。因此，只需要對gcc直接進(jìn)行編譯即可，無需重新配置各編譯選項。該步驟完成后，會在install目錄下生成完整的嵌入式交叉編譯工具。

驗證工作

生成好改交叉編譯鏈以后，我們使用它來驗證其正確性：

./mips-loongson-elf-gcc -EL -mabi=64 -c test.c -o test.o
./mips-loongson-elf-gcc -EL -mabi=64 -c sub.c -o sub.o
./mips-loongson-elf-ld -r -T link.OUT test.o sub.o -o test.out
./mips-loongson-elf-objdump -t -x -h test.out > test.txt

通過objdump反匯編來看，是符合要求的：

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注意事項

ar命令

因為，此次編譯的工具鏈，支持的abi有o32、n32，以及64，因此在編譯鏈接以及ar命令的時候一定要通過參數(shù)-mabi=xx，來指定其abi接口類型。

比如，當(dāng)ar的時候沒有指定abi的時候，報的錯：

error adding symbols: archive has no index; run ranlib to add one

究其原因，其實是ar的時候，需要指定目標(biāo)板具體的體系結(jié)構(gòu)，--target=elf32-nlittlemips
否則，ar會以默認(rèn)的target來打包程序，而鏈接的時候因為制定了abi為n32，則導(dǎo)致找不到靜態(tài)庫的符號索引表。

鏈接腳本

使用新的gcc時，需要修改鏈接腳本，在其中添加：
OUTPUT_FORMAT("elf32-nlittlemips")
OUTPUT_ARCH(mips)
ENTRY(__start)
用以指定輸出的elf格式和體系結(jié)構(gòu)，以及起始函數(shù)。

結(jié)束語

通過ARCH-elf-*搭建跨平臺mips開發(fā)工具鏈的實例，說明了如何使用newlib庫構(gòu)建靈活配置的嵌入式開發(fā)平臺，從而使嵌入式開發(fā)人員可以直接在PC機(jī)上開發(fā)基于嵌入式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序。
當(dāng)我們需要開發(fā)基于VxWorks庫的嵌入式開發(fā)平臺，可以以至進(jìn)行參考。無非就是target變了，binutils里面的configure等文件做好相應(yīng)更改就可以了。