如何為嵌入式開發建立交叉編譯環境

2005 年 9 月

在進行嵌入式開發之前，首先要建立一個交叉編譯環境，這是一套編譯器、連接器和libc庫等組成的開發環境。文章通過一個具體的例子說明了這些嵌入式交叉編譯開發工具的制作過程。

隨著消費類電子產品的大量開發和應用和Linux操作系統的不斷健壯和強大，嵌入式系統越來越多的進入人們的生活之中，應用范圍越來越廣。

在裁減和定制Linux，運用于你的嵌入式系統之前，由于一般嵌入式開發系統存儲大小有限，通常你都要在你的強大的pc機上建立一個用于目標機的交叉編譯環境。這是一個由編譯器、連接器和解釋器組成的綜合開發環境。交叉編譯工具主要由 binutils、gcc 和 glibc 幾個部分組成。有時出于減小 libc 庫大小的考慮，你也可以用別的 c 庫來代替 glibc，例如 uClibc、dietlibc 和 newlib。建立一個交叉編譯工具鏈是一個相當復雜的過程，如果你不想自己經歷復雜的編譯過程，網上有一些編譯好的可用的交叉編譯工具鏈可以下載。

下面我們將以建立針對arm的交叉編譯開發環境為例來解說整個過程，其他的體系結構與這個相類似，只要作一些對應的改動。我的開發環境是，宿主機 i386-redhat-7.2，目標機 arm。

這個過程如下

1. 下載源文件、補丁和建立編譯的目錄

2. 建立內核頭文件

3. 建立二進制工具（binutils）

4. 建立初始編譯器（bootstrap gcc）

5. 建立c庫(glibc)

6. 建立全套編譯器（full gcc）

下載源文件、補丁和建立編譯的目錄

1. 選定軟件版本號

選擇軟件版本號時，先看看glibc源代碼中的INSTALL文件。那里列舉了該版本的glibc編譯時所需的binutils 和gcc的版本號。例如在 glibc-2.2.3/INSTALL 文件中推薦 gcc 用 2.95以上，binutils 用 2.10.1 以上版本。

我選的各個軟件的版本是：

linux-2.4.21+rmk2
binutils-2.10.1
gcc-2.95.3
glibc-2.2.3
glibc-linuxthreads-2.2.3

如果你選的glibc的版本號低于2.2，你還要下載一個叫glibc-crypt的文件，例如glibc-crypt-2.1.tar.gz。 Linux 內核你可以從www.kernel.org 或它的鏡像下載。

Binutils、gcc和glibc你可以從FSF的FTP站點ftp://ftp.gun.org/gnu/ 或它的鏡像去下載。在編譯glibc時，要用到 Linux 內核中的 include 目錄的內核頭文件。如果你發現有變量沒有定義而導致編譯失敗，你就改變你的內核版本號。例如我開始用linux-2.4.25+vrs2，編譯glibc-2.2.3 時報 BUS_ISA 沒定義，后來發現在 2.4.23 開始它的名字被改為 CTL_BUS_ISA。如果你沒有完全的把握保證你改的內核改完全了，就不要動內核，而是把你的 Linux 內核的版本號降低或升高，來適應 glibc。

Gcc 的版本號，推薦用 gcc-2.95 以上的。太老的版本編譯可能會出問題。Gcc-2.95.3 是一個比較穩定的版本，也是內核開發人員推薦用的一個 gcc 版本。

如果你發現無法編譯過去，有可能是你選用的軟件中有的加入了一些新的特性而其他所選軟件不支持的原因，就相應降低該軟件的版本號。例如我開始用 gcc-3.3.2，發現編譯不過，報 as、ld 等版本太老，我就把 gcc 降為 2.95.3。太新的版本大多沒經過大量的測試，建議不要選用。

2. 建立工作目錄

首先，我們建立幾個用來工作的目錄：

在你的用戶目錄，我用的是用戶liang，因此用戶目錄為 /home/liang，先建立一個項目目錄embedded。

            $pwd
            /home/liang
            $mkdir embedded
            

再在這個項目目錄 embedded 下建立三個目錄 build-tools、kernel 和 tools。

build-tools-用來存放你下載的 binutils、gcc 和 glibc 的源代碼和用來編譯這些源代碼的目錄。

kernel-用來存放你的內核源代碼和內核補丁。

tools-用來存放編譯好的交叉編譯工具和庫文件。

            $cd embedded
            $mkdir  build-tools kernel tools
            

執行完后目錄結構如下：

            $ls embedded
            build-tools kernel tools
            

3. 輸出和環境變量

我們輸出如下的環境變量方便我們編譯。

            $export PRJROOT=/home/liang/embedded
            $export TARGET=arm-linux
            $export PREFIX=$PRJROOT/tools
            $export TARGET_PREFIX=$PREFIX/$TARGET
            $export PATH=$PREFIX/bin:$PATH
            

如果你不慣用環境變量的，你可以直接用絕對或相對路徑。我如果不用環境變量，一般都用絕對路徑，相對路徑有時會失敗。環境變量也可以定義在.bashrc文件中，這樣當你logout或換了控制臺時，就不用老是export這些變量了。

體系結構和你的TAEGET變量的對應如下表

你可以在通過glibc下的config.sub腳本來知道，你的TARGET變量是否被支持，例如：

            $./config.sub  arm-linux
            arm-unknown-linux-gnu
            

在我的環境中，config.sub 在 glibc-2.2.3/scripts 目錄下。

網上還有一些 HOWTO 可以參考，ARM 體系結構的《The GNU Toolchain for ARM Target HOWTO》，PowerPC 體系結構的《Linux for PowerPC Embedded Systems HOWTO》等。對TARGET的選取可能有幫助。

4. 建立編譯目錄

為了把源碼和編譯時生成的文件分開，一般的編譯工作不在的源碼目錄中，要另建一個目錄來專門用于編譯。用以下的命令來建立編譯你下載的binutils、gcc和glibc的源代碼的目錄。

            $cd $PRJROOT/build-tools
            $mkdir build-binutils build-boot-gcc build-gcc build-glibc gcc-patch
            

build-binutils-編譯binutils的目錄
build-boot-gcc-編譯gcc 啟動部分的目錄
build-glibc-編譯glibc的目錄
build-gcc-編譯gcc 全部的目錄
gcc-patch-放gcc的補丁的目錄

gcc-2.95.3 的補丁有 gcc-2.95.3-2.patch、gcc-2.95.3-no-fixinc.patch 和gcc-2.95.3-returntype-fix.patch，可以從 http://www.linuxfromscratch.org/ 下載到這些補丁。

再將你下載的 binutils-2.10.1、gcc-2.95.3、glibc-2.2.3 和 glibc-linuxthreads-2.2.3 的源代碼放入 build-tools 目錄中

看一下你的 build-tools 目錄，有以下內容：

            $ls
            binutils-2.10.1.tar.bz2     build-gcc			gcc-patch
            build-binutls            build-glibc 	        glibc-2.2.3.tar.gz
            build-boot-gcc           gcc-2.95.3.tar.gz	glibc-linuxthreads-2.2.3.tar.gz
            

建立內核頭文件

把你從 www.kernel.org 下載的內核源代碼放入 $PRJROOT /kernel 目錄

進入你的 kernel 目錄：

            $cd $PRJROOT /kernel
            

解開內核源代碼

            $tar -xzvf linux-2.4.21.tar.gz
            

或

            $tar -xjvf linux-2.4.21.tar.bz2
            

小于 2.4.19 的內核版本解開會生成一個 linux 目錄，沒帶版本號，就將其改名。

            $mv linux linux-2.4.x
            

給 Linux 內核打上你的補丁

            $cd linux-2.4.21
            $patch -p1 < ../patch-2.4.21-rmk2
            

編譯內核生成頭文件

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

你也可以用 config 和 xconfig 來代替 menuconfig，但這樣用可能會沒有設置某些配置文件選項和沒有生成下面編譯所需的頭文件。推薦大家用 make menuconfig，這也是內核開發人員用的最多的配置方法。配置完退出并保存，檢查一下的內核目錄中的 include/linux/version.h 和 include/linux/autoconf.h 文件是不是生成了，這是編譯 glibc 是要用到的，version.h 和 autoconf.h 文件的存在，也說明了你生成了正確的頭文件。

還要建立幾個正確的鏈接

            $cd include
            $ln -s asm-arm asm
            $cd asm
            $ln -s arch-epxa arch
            $ln -s proc-armv proc
            

接下來為你的交叉編譯環境建立你的內核頭文件的鏈接

            $mkdir -p $TARGET_PREFIX/include
            $ln -s $PRJROOT/kernel/linux-2.4.21/include/linux  $TARGET_PREFIX/include/linux
            $in -s $PRJROOT/kernel/linux-2.4.21/include/asm-arm  $TARGET_PREFIX/include/asm
            

也可以把 Linux 內核頭文件拷貝過來用

            $mkdir -p $TARGET_PREFIX/include
            $cp -r $PRJROOT/kernel/linux-2.4.21/include/linux  $TARGET_PREFIX/include
            $cp -r $PRJROOT/kernel/linux-2.4.21/include/asm-arm  $TARGET_PREFIX/include
            

建立二進制工具（binutils）

binutils是一些二進制工具的集合，其中包含了我們常用到的as和ld。

首先，我們解壓我們下載的binutils源文件。

            $cd $PRJROOT/build-tools
            $tar -xvjf binutils-2.10.1.tar.bz2
            

然后進入build-binutils目錄配置和編譯binutils。

            $cd build-binutils
            $../binutils-2.10.1/configure --target=$TARGET --prefix=$PREFIX
            

--target 選項是指出我們生成的是 arm-linux 的工具，--prefix 是指出我們可執行文件安裝的位置。

會出現很多 check，最后產生 Makefile 文件。

有了 Makefile 后，我們來編譯并安裝 binutils，命令很簡單。

            $make
            $make install
            

看一下我們 $PREFIX/bin 下的生成的文件

            $ls $PREFIX/bin
            arm-linux-addr2line	arm-linux-gasp	arm-linux-objdump		arm-linux-strings
            arm-linux-ar			arm-linux-ld		arm-linux-ranlib		arm-linux-strip
            arm-linux-as			arm-linux-nm		arm-linux-readelf
            arm-linux-c++filt		arm-linux-objcopy	arm-linux-size
            

我們來解釋一下上面生成的可執行文件都是用來干什么的

add2line - 將你要找的地址轉成文件和行號，它要使用 debug 信息。

Ar-產生、修改和解開一個存檔文件

As-gnu 的匯編器

C++filt-C++ 和 java 中有一種重載函數，所用的重載函數最后會被編譯轉化成匯編的標號，c++filt 就是實現這種反向的轉化，根據標號得到函數名。

Gasp-gnu 匯編器預編譯器。

Ld-gnu 的連接器

Nm-列出目標文件的符號和對應的地址

Objcopy-將某種格式的目標文件轉化成另外格式的目標文件

Objdump-顯示目標文件的信息

Ranlib-為一個存檔文件產生一個索引，并將這個索引存入存檔文件中

Readelf-顯示 elf 格式的目標文件的信息

Size-顯示目標文件各個節的大小和目標文件的大小

Strings-打印出目標文件中可以打印的字符串，有個默認的長度，為4

Strip-剝掉目標文件的所有的符號信息

建立初始編譯器（bootstrap gcc）

首先進入 build-tools 目錄，將下載 gcc 源代碼解壓

            $cd $PRJROOT/build-tools
            $tar -xvzf  gcc-2.95.3.tar.gz
            

然后進入 gcc-2.95.3 目錄給 gcc 打上補丁

            $cd gcc-2.95.3
            $patch -p1< ../gcc-patch/gcc-2.95.3.-2.patch
            $patch -p1< ../gcc-patch/gcc-2.95.3.-no-fixinc.patch
            $patch -p1< ../gcc-patch/gcc-2.95.3-returntype-fix.patch
            echo timestamp > gcc/cstamp-h.in
            

在我們編譯并安裝 gcc 前，我們先要改一個文件 $PRJROOT/gcc/config/arm/t-linux，把
TARGET_LIBGCC2-CFLAGS = -fomit-frame-pointer -fPIC
這一行改為
TARGET_LIBGCC2-CFLAGS = -fomit-frame-pointer -fPIC -Dinhibit_libc -D__gthr_posix_h

你如果沒定義 -Dinhibit，編譯時將會報如下的錯誤

            ../../gcc-2.95.3/gcc/libgcc2.c:41: stdlib.h: No such file or directory
            ../../gcc-2.95.3/gcc/libgcc2.c:42: unistd.h: No such file or directory
            make[3]: *** [libgcc2.a] Error 1
            make[2]: *** [stmp-multilib-sub] Error 2
            make[1]: *** [stmp-multilib] Error 1
            make: *** [all-gcc] Error 2
            

如果沒有定義 -D__gthr_posix_h，編譯時會報如下的錯誤

            In file included from gthr-default.h:1,
            from ../../gcc-2.95.3/gcc/gthr.h:98,
            from ../../gcc-2.95.3/gcc/libgcc2.c:3034:
            ../../gcc-2.95.3/gcc/gthr-posix.h:37: pthread.h: No such file or directory
            make[3]: *** [libgcc2.a] Error 1
            make[2]: *** [stmp-multilib-sub] Error 2
            make[1]: *** [stmp-multilib] Error 1
            make: *** [all-gcc] Error 2
            

還有一種與-Dinhibit同等效果的方法，那就是在你配置configure時多加一個參數-with-newlib，這個選項不會迫使我們必須使用newlib。我們編譯了bootstrap-gcc后，仍然可以選擇任何c庫。

接著就是配置boostrap gcc， 后面要用bootstrap gcc 來編譯 glibc 庫。

            $cd ..; cd build-boot-gcc
            $../gcc-2.95.3/configure --target=$TARGET --prefix=$PREFIX             >--without-headers  --enable-languages=c --disable-threads
            

這條命令中的 -target、--prefix 和配置 binutils 的含義是相同的，--without-headers 就是指不需要頭文件，因為是交叉編譯工具，不需要本機上的頭文件。-enable-languages=c是指我們的 boot-gcc 只支持 c 語言。--disable-threads 是去掉 thread 功能，這個功能需要 glibc 的支持。

接著我們編譯并安裝 boot-gcc

            $make all-gcc
            $make install-gcc
            

我們來看看 $PREFIX/bin 里面多了哪些東西

            $ls $PREFIX/bin
            

你會發現多了 arm-linux-gcc 、arm-linux-unprotoize、cpp 和 gcov 幾個文件。

Gcc-gnu 的 C 語言編譯器

Unprotoize-將 ANSI C 的源碼轉化為 K&R C 的形式，去掉函數原型中的參數類型。

Cpp-gnu的 C 的預編譯器

Gcov-gcc 的輔助測試工具，可以用它來分析和優程序。

使用 gcc3.2 以及 gcc3.2 以上版本時，配置 boot-gcc 不能使用 --without-headers 選項，而需要使用 glibc 的頭文件。

建立 c 庫(glibc)

首先解壓 glibc-2.2.3.tar.gz 和 glibc-linuxthreads-2.2.3.tar.gz 源代碼

            $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
            

然后進入 build-glibc 目錄配置 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
            

CC=arm-linux-gcc 是把 CC 變量設成你剛編譯完的boostrap gcc，用它來編譯你的glibc。--enable-add-ons是告訴glibc用 linuxthreads 包，在上面我們已經將它放入了 glibc 源碼目錄中，這個選項等價于 -enable-add-ons=linuxthreads。--with-headers 告訴 glibc 我們的linux 內核頭文件的目錄位置。

配置完后就可以編譯和安裝 glibc

            $make
            $make install_root=$TARGET_PREFIX prefix="" install
            

然后你還要修改 libc.so 文件

將
GROUP ( /lib/libc.so.6 /lib/libc_nonshared.a)

改為
GROUP ( libc.so.6 libc_nonshared.a)

這樣連接程序 ld 就會在 libc.so 所在的目錄查找它需要的庫，因為你的機子的/lib目錄可能已經裝了一個相同名字的庫，一個為編譯可以在你的宿主機上運行的程序的庫，而不是用于交叉編譯的。

建立全套編譯器（full gcc）

在建立boot-gcc 的時候，我們只支持了C。到這里，我們就要建立全套編譯器，來支持C和C++。

            $cd $PRJROOT/build-tools/build-gcc
            $../gcc-2.95.3/configure --target=$TARGET --prefix=$PREFIX --enable-languages=c,c++
            

--enable-languages=c,c++ 告訴 full gcc 支持 c 和 c++ 語言。

然后編譯和安裝你的 full gcc

            $make all
            $make install
            

我們再來看看 $PREFIX/bin 里面多了哪些東西

            $ls $PREFIX/bin
            

你會發現多了 arm-linux-g++ 、arm-linux-protoize 和 arm-linux-c++ 幾個文件。

G++-gnu的 c++ 編譯器。

Protoize-與Unprotoize相反，將K&R C的源碼轉化為ANSI C的形式，函數原型中加入參數類型。

C++-gnu 的 c++ 編譯器。

到這里你的交叉編譯工具就算做完了，簡單驗證一下你的交叉編譯工具。

用它來編譯一個很簡單的程序 helloworld.c

            #include <stdio.h>
            int main(void)
            {
            printf("hello world\n");
            return 0;
            }
            $arm-linux-gcc helloworld.c -o helloworld
            $file helloworld
            helloworld: ELF 32-bit LSB executable, ARM, version 1,
            dynamically linked (uses shared libs), not stripped
            

上面的輸出說明你編譯了一個能在 arm 體系結構下運行的 helloworld，證明你的編譯工具做成功了。