Ch2 Toolchain — Embedded System學習紀錄

7 min readJan 27, 2021

Toolchain

toolchain (工具鏈)就是一組工具集，能讓你的原始程式碼，編譯為可以在目標設標上運行的執行檔。這當中包括了一個編譯器、連結器以及執行期使用的函式庫。

然而你需要一組 toolchain 才能建立起embedded linux system的其他三項組成：bootloader、kernel、root file system。而且這組 toolchain 必須要能編譯以組合語言、C語言、C++語言所編寫的程式碼，因為這些是最基層的開源套件所使用的程式語言。

就一般而言，Linux 系統上所使用的 toolchain 都是基於 GNU專案所發展的套件而來，而且至今大多數的開發情況都是如此。

然而 toolchain 又可以分為：

native(原生)：這類toolchain及其所產生的程式運行在同類型、有時甚至是同一部系統上。
cross(跨平台)：這類toolchain可以在與目標系統不同類型的作業系統上運行，這能讓開發工作在桌上型電腦完成、再載入到 embedded system 環境上進行測試。

crosstool-NG

數年前，Dan Kegel 為了產生跨平台的開發 toolchain，寫下一組指令集和建置檔，並稱其為 crosstool。直到 2007 年，Yann E. Morin則以此為參考，建立了次世代的 crosstool，也就是 crosstool-NG。直到今日，這是目前要從原始碼建立一個跨平台 toolchain 的最方便的方式。

開始安裝 crosstool-NG

我使用的作業系統為Ubuntu20.04；先下載 crosstool-NG 1.24.0 並解壓縮：

$ wget http://crosstool-ng.org/download/crosstool-ng/crosstool-ng-1.24.0.tar.bz2
$ tar xjf crosstool-ng-1.24.0.tar.bz2

進入 crosstool-ng-1.24.0 資料夾後，進行安裝

$ cd crosstool-ng-1.24.0
$ ./configure --enable-local

其中參數 --enable-local 是讓程式安裝在目前資料夾。

$ make
$ make install

在 build 或是安裝過程中，可能電腦會缺少某些套件，請照著錯誤訊息進行安裝套件。

選擇 toolchain 並修改配置

我們假設目標環境是在使用 ARM Cortex A8 核心、有著VPFv3浮點運算器的Beagle Black上，然後使用最新版本的glibc。於是最接近的範本為arm-cortex_a8-linux-gnueabi。可以用show-這個前綴慈看到預設配置內容。

$ ./ct-ng show-arm-cortex_a8-linux-gnueabi

然後選擇目標環境

$ ./ct-ng arm-cortex_a8-linux-gnueabi

使用 menuconfig 來修改配置，這些配置會存在.config檔案中。

$./ct-ng menuconfig

而這邊有幾點在配置上的變更

在Paths and misc的選項中，停用Rendor the toolchain read-only：
在Target option | Floating point裡，選擇hardware(FPU)：主要目的是給有支援硬體浮點數運算元件的處理器架構，選擇最適化的浮點運算集。
在C-library | extra config中，增加 --enable-obsolete-rpc：是強我們產生出的toolchain去使用一個舊式的標頭檔-rpc.h，這個標頭檔在許多套件中仍會用到。

根據配置來下載、安裝、組件元件

$ ./ct-ng build

剖析toolchain

工具鏈的位置在~/x-tools/arm-cortex_a8-linux-gnueabihf/bin底下，將指令加入環境變數中：

$PATH=~/x-tools/arm-cortex_a8-linux-gnueabihf/bin:$PATH

寫一個 hello word 程式

並且進行編譯

$ arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc helloworld.c -o helloworld

接者可以使用 file 指令來將檔案的類型顯示出來；確認跨平台的方式編譯完成：

$ file helloworld

SQLite 套件範例

某些套件可以輕易地以跨平台方式進行編譯，包括 Linux kernel、U-Boot、BusyBox。這邊將示範如何將 SQLite 套件加入至 toolchain library (sysroot)中。

SQLite函式庫是一個在嵌入式設備上廣受歡迎的關聯式資料庫實作；首先先下載SQLite開始：

$ wget http://www.sqlite.org/2015/sqlite-autoconf-3081101.tar.gz
$ tar xf sqlite-autoconf-3081101.tar.gz
$ cd sqlite-autoconf-3081101

接著執行腳本

$ CC=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc
$ ./configure — host=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf — prefix=/usr

其中 CC：C語言編譯器的指令、 --prefix=/usr：配置安裝的路徑。接者，注意到會有數個建置檔已經產生出來，可以開始使組建：

$ make

接者，你可以透過設定 make 指令 DESTDIR 變數，把它安裝到 toolchain 底下。如果不這樣做，會直接安裝在開發環境下的/usr目錄底下，這不是我要的。

$ make DESTDIR=$(arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc -print-sysroot) install

安裝完成後：你會發現有幾個檔案加進到 toolchain 的 sysroot 中：

<sysroot>/usr/bin底下的sqlite3：這是SQLite的命令列介面，你可以在目標環上安裝及執行。
<sysroot>/usr/bin底下的sqlite3：這是SQLite的命令列介面，你可以在目標環上安裝及執行。
<sysroot>/usr/lib/pkconfig/sqlite3.pc：這些是套件配置檔。
<sysroot>/usr/lib/include底下的sqlite3.h、sqlite3ext.h：這些是標頭檔。
<sysroot>/usr/share/man/man1底下的sqlite3.1：這是操作手冊。

現在可以編譯那些有使用到sqlite3套件的程式。

補充 sysroot

這邊補充一下什麼是 sysroot：toolchain 的 sysroot資料夾底下，有存放函式庫、標頭檔和其他配置檔的子目錄。toolchain 的 --with-sysroot=配置參數，或者是透過命令列的 --sysroot=參數，就可以改變這項設定。可以透過-print-sysroot參數看到sysroot的預設位置。

而你會在sysroot底下找到這些東西：

lib：裡面有C語言函式庫的共用物件，以及動態連結器/載入器ld-linux。
usr/lib：裡面是C語言函式庫的靜態函式庫集合，以及其他後來才陸續安裝的函示庫。
usr/include：這裡頭是所有函式庫要使用的標頭檔。
usr/bin：這裡有目標環境上要執行的工具程式，如ldd指令。
usr/share：用來做本地化與進行國際語言翻譯的。
sbin：提供給ldconfig功能使用，用來最佳化載入函式庫路徑。

簡單來說，這裡某些東西是用來在開發環境上編譯程式，而其他東西(如共用函式庫和ld-linux)則是在目標環境執行期上所需要的。