构建gcc交叉编译工具链

如何构建一个GCC交叉编译工具链

GCC不仅是一个编译器，它是一个开源工程，可以让你建立各种编译器。一些编译器支持多线程，一些支持共享库，一些支持Multilib（典型的应用是在64位机上运行32位应用程序），这些都取决于在编译编译器时的配置。

本文档将说明怎么建立一个交叉编译器。你需要一个已经安装gcc的Unix-like环境。

一、需要的包

Debian系统，首先需要安装一些包

$ sudo apt-get install g++ make gawk

其他的包将使用源代码来编译。在根文件系统的某个地方新建一个文件夹，下载下面的包。本文是2014年写的，你看到时，可能有更新的包可以使用，所以你可以使用更新的包。

$ wget http://ftpmirror.gnu.org/binutils/binutils-2.24.tar.gz

$ wget http://ftpmirror.gnu.org/gcc/gcc-4.9.2/gcc-4.9.2.tar.gz

$ wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.17.2.tar.xz

$ wget http://ftpmirror.gnu.org/glibc/glibc-2.20.tar.xz

$ wget http://ftpmirror.gnu.org/mpfr/mpfr-3.1.2.tar.xz

$ wget http://ftpmirror.gnu.org/gmp/gmp-6.0.0a.tar.xz

$ wget http://ftpmirror.gnu.org/mpc/mpc-1.0.2.tar.gz

$ wget ftp://gcc.gnu.org/pub/gcc/infrastructure/isl-0.12.2.tar.bz2

$ wget ftp://gcc.gnu.org/pub/gcc/infrastructure/cloog-0.18.1.tar.gz

最开始的四个包：binutils、gcc、Linux kernel和glibc是主要要用的包。后面三个mpfr、gmp、mpc你可以使用系统自带的package manager安装，但是可能比较旧。最后两个包ISL和CLooG是可选的，它们支持一些优化。

二、它们是怎么有机结合在一起的呢？

当我们完成时，我们会构建如下的程序和库。首先，构建左边的工具，然后使用这些工具来构建右边的程序和库。我们将不构建目标系统的Linux kernel，但是我们需要kernel header来构建目标系统标准C库。

左边的编译器将调用汇编器和链接器。其他的包MPFR、GMP和MPC将连接到编译器中。

右边图中的a.out，运行在目标OS上，使用交叉编译器，连接目标系统标准C库和C++库。C++标准库调用标准C库，C库直接调用Linux kernel。

注意，除了使用glibc外，还可以使用其他替代的C库实现，比如Newlibc，uclibc等，其他替代的C库用在嵌入式中较多，比glibc库要小，功能没有glibc全面。

三、构建步骤

解压所有的包。

$ for f in *.tar*; do tar xf $f; done

创建一些其他目录的符号连接，这5个包依附于gcc，如果存在符号连接，gcc脚本将自动build这些包。

$ cd gcc-4.9.2

$ ln -s ../mpfr-3.1.2 mpfr

$ ln -s ../gmp-6.0.0 gmp

$ ln -s ../mpc-1.0.2 mpc

$ ln -s ../isl-0.12.2 isl

$ ln -s ../cloog-0.18.1 cloog

$ cd ..

选择一个安装路径，确保有写的权限。下面步骤中，我将安装新的工具链到/opt/cross

$ sudo mkdir -p /opt/cross

$ sudo chown jeff /opt/cross

整个构建过程中，确保安装的bin子目录在你的PATH环境变量中。后续你可以从PATH中移除该目录，但是大部分构建步骤将会默认通过PATH来查找aarch64-linux-gcc和其他host工具。

$ export PATH=/opt/cross/bin:$PATH

注意/opt/cross/aarch64-linux/目录下的文件。该目录被认为是虚拟的aarch64 linux目标系统的根目录。理论上，可以使用里面所有的头文件和库。

1. Binutils

构建binutils、安装交叉汇编器、链接器和其他工具的步骤：

$ mkdir build-binutils

$ cd build-binutils

$ ../binutils-2.24/configure --prefix=/opt/cross --target=aarch64-linux --disable-multilib

$ make -j4

$ make install

$ cd ..

我们制定aarch64-linux作为目标系统类型，binutils的配置脚本将识别到它与正在进行编译的主机系统不一样，配置一个交叉汇编器和交叉链接器。这些工具将安装到/opt/cross/bin，名字以arm-linux-开头。

--disable-multilib意味着我们只希望我们的程序和库使用aarch64指令集，而不使用aarch32的指令集。

2. Linux Kernel Headers

将Linux kernel 头文件安装到/opt/cross/aarch64-linux/include, 使用新工具链构建的程序会调用这些目标环境中的aarch64 kernel。

$ cd linux-3.17.2

$ make ARCH=arm64 INSTALL_HDR_PATH=/opt/cross/aarch64-linux headers_install

$ cd ..

我们也可以在构建binutils之前做这件事。

尽管第4步，configure脚本期望linux kernel header依据安装，但是实际上在步骤6之前，当我们编译标准C库时，linux kernel headers不会被用到。

因为Linux kernel和其他开源工程不一样，它有一个不同的方式来识别目标CPU架构： ARCH=arm

剩下的步骤涉及构建GCC和Glibc。这里有个道道，就是部分gcc需要部分glibc被构建，而部分glibc又需要gcc被构建。我们不能一步搞定这些编译，而是要分成几步。我们要这几个包之间来往几次。

3. C/C++ Compilers

该步将构建gcc的C和C++编译器，并安装到/opt/cross/bin，目前还不能引用这些编译器来构建库。

$ mkdir -p build-gcc

$ cd build-gcc

$ ../gcc-4.9.2/configure --prefix=/opt/cross --target=aarch64-linux --enable-languages=c,c++ --disable-multilib

$ make -j4 all-gcc

$ make install-gcc

$ cd ..

因为我们指定了--target=aarch64-linux，构建脚本会依据aarch64-linux-前缀查找第一步安装的binutils工具。同样，C/C++编译器的名字也会带上aarch64-linux-前缀。

--enable-languages=c,c++避免了在GCC套件中出现其他的编译器，比如Fortran、Java等。

4. Standard C Library Headers and Startup Files

安装标准C库头文件到/opt/cross/aarch64-linux/include。我们会使用第三步构建的C编译器来编译库的startup files并安装到/opt/cross/aarch64-linux/lib。最后我们创建几个傀儡文件，libc.so和stubs.h，在第5步会用到，但是第6步会替换为真的。

$ mkdir -p build-glibc

$ cd build-glibc

$ ../glibc-2.20/configure --prefix=/opt/cross/aarch64-linux --build=$MACHTYPE --host=aarch64-linux --target=aarch64-linux --with-headers=/opt/cross/aarch64-linux/include --disable-multilib libc_cv_forced_unwind=yes

$ make install-bootstrap-headers=yes install-headers

$ make -j4 csu/subdir_lib

$ install csu/crt1.o csu/crti.o csu/crtn.o /opt/cross/aarch64-linux/lib

$ aarch64-linux-gcc -nostdlib -nostartfiles -shared -x c /dev/null -o /opt/cross/aarch64-linux/lib/libc.so

$ touch /opt/cross/aarch64-linux/include/gnu/stubs.h

$ cd ..

--prefix=/opt/cross/aarch64-linux告诉configure脚本它要安装头文件和库到这里。注意这个和普通的--prefix。

Glibc的configure需要我们制定所有的--build，--host和--target系统类型。

$MACHTYPE是一个预定义的环境变量，表示正在运行build脚本的机器。--build=$MACHTYPE是必须的，因为在第六步中，该build脚本将编译一些额外的工具，这些工具是build进程的一部分。

--host，在glibc的configure中，--host和--target选项都指glibc库最终运行的系统。

我们手动安装C库startup文件，ctr1.o ctri.o和ctrn.o。其他的方法好像都有副作用。

5. Compiler Support Library

使用第三步的交叉编译器构建compiler support library，编译器支持的库包含一些C++异常处理样板代码等等。该库依赖第四步安装的startup file。第六步需要该库。不像其他的指导手册，我们不需要重新运行gcc configure。只需要在相同配置下构建额外的target即可。

$ cd build-gcc

$ make -j4 all-target-libgcc

$ make install-target-libgcc

$ cd ..

两个静态库，libgcc.a和libgcc_eh.a，安装到/opt/cross/lib/gcc/aarch64-linux/4.9.2.

共享库，lingcc_s.so，安装到/opt/cross/aarch64-linux/lib64.

6. Standard C Library

这步完成glibc的安装。安装标准C库到/opt/cross/aarch64-linux/lib中。静态库名字为libc.a，动态库为libc.so

$ cd build-glibc

$ make -j4

$ make install

$ cd ..