4. ARM-GCC和开发板的HelloWorld

为了加深对GCC编译工具链的了解，本章尝试在ARM64开发板上运行x86_64平台、Ubuntu系统用各种不同方法编译的HelloWorld。

由于需要在Ubuntu主机及开发板之间共享文件，请按《挂载NFS网络文件系统》章节搭建好NFS网络文件系统环境。

本章的示例代码目录为：base_code/linux_app/hello_crosscompile。

4.1. 在ARM板上运行x86_64平台的程序

上一章Ubantu编译生成了X86_64平台的Hello World程序，我们尝试ARM64开发板上直接运行它。

在开发板的终端上，切换至主机共享目录下的hello_c文件夹，可以直接执行如下命令测试：

#将上一章节主机编译的x86架构程序传输板卡并运行

./hello

如下图:

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如图所示，程序无法正常运行，终端提示ARM开发板在执行x86架构（Intel或AMD）的hello程序时提示格式错误，原因是x86_64和ARM64架构的程序不兼容，本质是由于这些CPU使用的指令集不同。这就是为什么需要针对芯片架构定制文件系统、软件工具，apt使用的源也针对不同架构提供不同的软件包。前 面说Debian系统有支持多种架构的优势，本质上就是说它的文件系统针对不同芯片架构提供了适配的软件包。

当然，对于由Python等跨平台语言编写的源程序，它们不需要编译，只需要使用匹配的解释器即可运行，与芯片架构甚至操作系统无关。

4.2. 安装并使用交叉编译工具链

在前面《GCC和Hello World》章节中，我们编译了两个程序，分别是:

  • 编译器运行在X86_64架构平台上，编译生成X86_64架构的可执行程序

  • 编译器运行在ARM64架构平台上，编译生成ARM64架构的可执行程序

这种编译器和目标程序都是相同架构的编译过程，被称为 本地编译 。

而当前我们希望的是编译器运行在x86架构平台上，编译生成ARM64架构的可执行程序，这种编译器和目标程序运行在不同架构的编译过程，被称为 交叉编译。

既然已经有本地编译，为什么需要交叉编译？这是因为通常编译工具链对编译环境有较高的要求，编译复杂的程序时，可能需要巨大的存储空间以及强大的CPU运算能力加快编译速度。常见的ARM64 架构平台资源有限，无论是存储空间还是CPU运算能力，都与X86平台相去甚远，特别是对于MCU平台，安装编译器根本无从谈起。有了交叉编译，我们就可以在PC上快速编译出针对其他架构的可执行程序。

相对的，能进行架构“交叉”编译过程的编译器，就被称为 交叉编译器（Cross compiler）。 交叉编译器听起来是个新概念，但在MCU开发中一直使用的就是交叉编译器， 例如开发STM32、RT1052所使用的IDE软件Keil（MDK）或IAR，就是在Windows x86架构编译，生成MCU平台的应用程序，最后下载到板子执行。

4.2.1. 使用APT安装ARM-GCC

安装交叉编译工具链有如下三种方式：

  • 直接在Ubuntu下使用APT包管理工具下载安装，操作简单，在本章节我们直接使用该方式安装即可。

  • 自行下载第三方制作好的工具链，如Linaro，好处是选择丰富，能找到很多不同的版本。

  • 使用crosstool-ng根据需要自己制作，过程复杂，不推荐。

本书使用的编译器主要有一种类型：

  • gcc-arm-xxx-x86_64-aarch64-none-linux-gnu：

(1)gcc-arm-xxx: 这部分表示ARM 架构工具链。

(2)x86_64: 这部分表示目标架构，即工具链的目标平台是 x86_64 架构。

(3)aarch64: 这部分表示生成的可执行文件或目标代码的目标架构是 AArch64（ARM 64 位）架构，且默认采用小端字节序。

(4)none: 这部分表示没有特定的操作系统相关组件，该工具链是为嵌入式系统或特定目标架构而构建的，而不是针对特定的操作系统。

(5)linux-gnu: 这部分表示生成的可执行文件或目标代码适用于 Linux 系统，并使用 GNU C 库（glibc）作为默认的 C 库。

本章节示例代码只需要使用aarch64-linux-gnu-gcc编译器，可通过APT包管理工具可直接执行以下命令安装：

#在主机上执行如下命令

sudo apt install gcc-aarch64-linux-gnu

#安装完成后使用如下命令查看版本

aarch64-linux-gnu-gcc -v

可以看到下图的内容，它表明交叉编译工具链安装成功了，输出信息表明了它是7.5.0版本的编译器，其中的 “Target: aarch64-linux-gnu”也表明了它的目标架构。

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arm-linux-gnueabi-gcc版本信息

安装完成后输入“aarch64-linux-gnu-”，再按两下TAB键，终端会提示可用的相关命令，如下图包含了ARM-GCC工具链Binutils的各种工具。

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安装后包含的Binutils工具集

4.2.2. arm官网下载安装ARM-GCC

有些时候apt并不能安装合适的版本或者希望使用特定的版本，可以到arm官网下载编译链压缩包。

官网为：https://developer.arm.com/downloads/-/gnu-a

以10.2版本为例：

../../_images/arm10_2_1.png

然后选择gcc-arm-xxx-x86_64-aarch64-none-linux-gnu的编译器：

../../_images/arm10_2_2.png

下载完成后解压到虚拟机，编译链工具包bin目录下就是我们需要的编译工具，需要导出到环境变量

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#解压编译链工具包
tar xvf gcc-arm-10.2-2020.11-x86_64-aarch64-none-linux-gnu.tar.xz gcc-arm-10.2-2020.11-x86_64-aarch64-none-linux-gnu/

#查看工具包里面的编译工具
ls gcc-arm-10.2-2020.11-x86_64-aarch64-none-linux-gnu/bin/

#导出环境变量，需要根据实际指定编译工具链的 绝对路径
export PATH=/home/hyw/gcc-arm-10.2-2020.11-x86_64-aarch64-none-linux-gnu/bin:$PATH

#查看编译器信息，注意名字
aarch64-none-linux-gnu-gcc -v
../../_images/arm10_2_3.png

注意以上编译器的名字和apt下载的有区别，apt下载的名字为aarch64-linux-gnu-gcc，压缩包工具链的为aarch64-none-linux-gnu-gcc 。

后续程序均以apt下载的工具链为主，请读者自行区分。

4.2.3. 交叉编译Hello World程序

安装好交叉编译器后，直接使用它对Hello World程序进行交叉编译即可。

交叉编译器与本地编译器使用起来并没有多大区别。对于源文件的编译过程，都是四个阶段：预处理，编译，汇编以及链接，区别只在于编译工具。因此，我们可以依葫芦画瓢，修改一下前面GCC编译章节的命令，就可以完成这个过程。

在主机上执行如下命令对Hello World程序进行交叉编译：

#以下命令在主机上运行

#在hello.c程序所在的目录执行如下命令

aarch64-linux-gnu-gcc hello.c –o hello

同样的C代码文件，使用交叉编译器编译后，生成的hello已经变成了ARM64平台的可执行文件，可以通过readelf工具来查看具体的程序信息。

readelf工具在系统安装GCC编译工具链时一起被安装了，我们可以直接使用。在主机上执行以下命令：

#以下命令在主机上运行

readelf -a hello
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可看到hello程序的系统架构为ARM64平台。

编译好后，可以通过前面文件传输章节介绍的方法将执行文件传输到板卡，执行结果如下图所示。

#执行主机编译的arm64平台程序

./hello
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