C语言编译之交叉编译

1、什么是交叉编译

嵌入式开发过程中，由于嵌入式平台不一定有操作系统，也就运行不了编译程序（如 gcc 和 llvm）。即便能运行，受限于 CPU 性能，编译效率也会比较“感人”。

编译过程是将源码转化为目标平台二进制指令的过程，并不涉及二进制的执行，所以本身不存在对目标平台的硬件依赖，因此编译过程和执行过程可以是不同的平台。考虑到开发效率，构建环境可以是 PC 或者服务器环境，完成编译过程后再将二进制下载到嵌入式单板执行。这种构建环境和运行环境（主要是操作系统、处理器架构和型号）不同的情况，就涉及交叉编译。参考维基百科中对交叉编译的定义：交叉编译是指在一个平台生成另一个平台可执行文件的过程。

2、交叉编译的使用

1）交叉编译器的选择

以在 x86 Linux 环境构建 arm64 平台下的可执行文件为例，第一步就需要在构建环境中安装交叉编译器。一般在对应体系结构的官网上可以找到对应的交叉编译器。如 arm 平台交叉 gcc 编译器的下载路径为：

https://developer.arm.com/tools-and-software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/gnu-rm/downloads

在该页面看到有很多个版本，这里需要根据交叉编译器的命名规则选择适合自己的版本。一般来说，交叉编译器的命名规则为：

arch[-vendor][-os]-abi

arch：目标平台的架构，如 arm，aarch64（arm64 ），riscv32，x86，x86_64 等。

vendor：提供编译工具链的厂商，如 mingw-w64。

os：目标平台的操作系统，如 linux。指示编译器使用哪些库和如何使用系统调用。

abi：用于指示编译器使用的二进制接口（Application Binary Interface）类型，如 gnueabi 表示 GNU 的 EABI（Embedded Application Binary Interface）。gnueabihf 在 gnieabi 的基础上指示编译器使用硬件浮点单元进行浮点运算（不带 hf 的编译器使用软件浮点）。abi 相同的二进制可以进行互操作。

并不是所有的编译器都会严格按照这个规则命名，还有的命名规则中将 vendor 替换为了 core，用于指示具体的 CPU 型号，如 arm-cortex_a8-linux-gnueabi。

常见的交叉编译器：

arm-none-eabi：arm 架构，不含 vendor，目标平台不带 OS（裸机系统），使用 ARM 的 eabi。

aarch64-none-linux-gnueabihf：aarch64 架构，不含 vendor，目标平台为 Linux 系统，使用支持硬件浮点的 GNU EABI。

x86_64-w64-mingw32：x86_64 架构，厂商为 mingw-w64（w64 = mingw-64），二进制接口为 mingw32（Minimalist GNU for windows）。

arm-elf-eabi：arm 架构，不含 vendor，构建可以跑在任何支持 elf 文件并且支持 EABI 的系统上。

arm-elf：用于构建操作系统无关的 arm 体系结构下通用的 elf 文件。

通过以上介绍，就可以根据自己的构建环境在 arm 官网选择适合自己的工具链了。

2）交叉编译器的使用

选择完合适的交叉编译器后，还需要通过编译选项给编译器传递目标平台的更多信息，方便编译器生成正确且高效的可执行文件。这些选项往往和体系结构相关，需要查看编译器手册中对应体系结构相关的描述使用。以 aarch64 体系结构为例为例，和交叉编译相关的编译选项有：

-mabi=name

用于指定特定的数据模型，比如可以通过 "ilp32" 指示编译器将 int、long 和 pointer 都按照 32 位处理。

-mbig-endian/-mlittle-endian

用于指定生成大端/小端的代码。

-march=name

用于指定特定的体系结构，编译器据此决定如何生成汇编指令。aarch64 下可选的体系结构有：armv8-a、armv8.1-a、armv8.2-a…armv8.7-a、armv9-a、armv8-r 等。

-mtune=name/-mcpu=name

用于指定具体的 CPU 型号，编译器可据此执行更具体的优化。可选的型号有：generic、cortex-a35、cortex-a53、cortex-a55、cortex-a57、cortex-a72、cortex-a73、cortex-a75、cortex-a76、cortex-a77、cortex-a78、cortex-a78ae、cortex-r82、cortex-x1、cortex-x2、cortex-a510、cortex-a710 等。还可指定为 cortex-a57.cortex-a53、cortex-a72.cortex-a53、cortex-a73.cortex-a35、cortex-a75.cortex-a55、cortex-a76.cortex-a55 等指示编译器针对 big.LITTLE 架构进行优化。还可以指定为 native，编译器可以根据构建环境的 CPU 型号进行优化。

当 march、mtune 和 mcpu 均未指定时，编译器将尽可能生成通用的指令。而如果 多个选项均提供且存在冲突时，march 和 mtune 选项的设置将拥有更高的优先级。

march 和 mcpu 选项可以根据 CPU 支持的特性类型通过 arch/cpu{+[no]feature} 的形式对某些特性进行开关设置。相关的特性有：crc（使能 CRC 扩展）、crypto（使能 crypto 扩展）、fp（使能硬件浮点单元）、simd（使能 SIMD 指令）、sha2（使能 sha2 扩展）、sha3（使能 sha3 扩展）、sm4（使能 sm4 扩展）。