一文搞懂交叉编译，Windows和Linux的交叉编译

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什么是交叉编译

在一种计算机环境中运行的编译程序，能编译出在另外一种环境下运行的代码，我们就称这种编译器支持交叉编译。这个编译过程就叫交叉编译。简单地说，就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码。这里需要注意的是所谓平台，实际上包含两个概念：体系结构（Architecture）、操作系统（OperatingSystem）。同一个体系结构可以运行不同的操作系统；同样，同一个操作系统也可以在不同的体系结构上运行。举例来说，我们常说的x86 Linux平台实际上是Intel x86体系结构和Linux for x86操作系统的统称；而x86 WinNT平台实际上是Intel x86体系结构和Windows NT for x86操作系统的简称。

交叉编译这个概念的出现和流行是和嵌入式系统的广泛发展同步的。我们常用的计算机软件，都需要通过编译的方式，把使用高级计算机语言编写的代码（比如C代码）编译（compile）成计算机可以识别和执行的二进制代码。比如，我们在Windows平台上，可使用Visual C++开发环境，编写程序并编译成可执行程序。这种方式下，我们使用PC平台上的Windows工具开发针对Windows本身的可执行程序，这种编译过程称为native compilation，中文可理解为本机编译。然而，在进行嵌入式系统的开发时，运行程序的目标平台通常具有有限的存储空间和运算能力，比如常见的ARM 平台，其一般的静态存储空间大概是16到32MB，而CPU的主频大概在100MHz到500MHz之间。这种情况下，在ARM平台上进行本机编译就不太可能了，这是因为一般的编译工具链（compilation tool chain）需要很大的存储空间，并需要很强的CPU运算能力。为了解决这个问题，交叉编译工具就应运而生了。通过交叉编译工具，我们就可以在CPU能力很强、存储控件足够的主机平台上（比如PC上）编译出针对其他平台的可执行程序。

要进行交叉编译，我们需要在主机平台上安装对应的交叉编译工具链（crosscompilation tool chain），然后用这个交叉编译工具链编译我们的源代码，最终生成可在目标平台上运行的代码。常见的交叉编译例子如下：

1、在Windows PC上，利用ADS（ARM 开发环境），使用armcc编译器，则可编译出针对ARM CPU的可执行代码。

2、在Linux PC上，利用arm-linux-gcc编译器，可编译出针对Linux ARM平台的可执行代码。

3、在Windows PC上，利用cygwin环境，运行arm-elf-gcc编译器，可编译出针对ARM CPU的可执行代码。

为什么要交叉编译

交叉编译其实是相对于本地编译(native build)来说的，我相信大家最开始学习 C/C++ 这些语言的时候，都是在电脑上写程序，然后在电脑上编译生成可执行文件，最后在电脑上运行。程序的编辑——》编译——》运行，整个过程都是在一台 X86 电脑上。

当我们开始接触嵌入式开发后，事情变的不一样了，你在电脑上写程序，在电脑上编译出可执行文件，最后这个可执行文件需要下载到你的开发板上运行。程序最后运行的环境变了，比如你的开发板是基于 Arm 的——程序在 X86 上编辑，编译，最终运行在另一个和 X86 完全不同的架构的 Arm 芯片上。

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之所以整个流程变成了这个样子，这是由嵌入式系统的特性决定的：一般嵌入式系统里面使用的芯片性能都比较弱，而且绝大部分都不能像 X86 一样运行 Windows/Ubuntu 桌面系统，即使能运行，性能也很弱，无法给你提供一个在开发板上写代码、编译代码的环境。所以我们还是离不开 X86 电脑强大高效的桌面环境进行软件开发。

但是这样有一个问题，X86、Arm、MIPS、RISC-V 这些芯片，它们的指令集是由不同的组织或者公司设计的，彼此并不兼容——Arm 和 MIPS 的 CPU 无法运行以 X86 的指令集编码的程序，反之亦然。所以我们要在 X86 的电脑上编译出能够在 Arm 上运行的程序，我们必须明确告诉编译器，编译生成的可执行文件需要以 Arm 指令集的标准编码。为了让这个流程变得简单，开发者们为不同的芯片开发了不同的编译器，比如针对 Arm 平台的 arm-linux-gcc，针对 mips 平台的 mips-linux-gnu-gcc，这些编译器都是基于 GCC 针对具体的架构指令集进行对应配置，所以它们在运行的时候就就会生成和该目标平台对应的可执行文件。

这篇文章主要讲 Arm 的交叉编译，所以这里后面都以 Linux 开发环境下的 Arm gcc 为例。

工具链的种类

GCC 的命名规则为： arch [-vendor] [-os] [-(gnu)eabi]-gcc

比如 arm-linux-gnueabi-gcc ，arm-none-eabi-gcc， aarch64-linux-gnu-gcc

带 [] 的是可选部分。
arch：芯片架构，比如 32 位的 Arm 架构对应的 arch 为 arm，64 位的 Arm 架构对应的 arch 为 aarch64。
vendor ：工具链提供商，大部分工具链名字里面都没有包含这部分。
os ：编译出来的可执行文件(目标文件)针对的操作系统，比如 Linux。

arm-none-eabi-gcc 一般适用用于 Arm Cortex-M/Cortex-R 平台，它使用的是 newlib 库。

arm-linux-gnueabi-gcc 和 aarch64-linux-gnu-gcc 适用于 Arm Cortex-A 系列芯片，前者针对 32 位芯片，后者针对 64 位芯片，它使用的是 glibc 库。可以用来编译 u-boot、linux kernel 以及应用程序。

另外需要补充一点的是，32 位的 Arm 和 64 位的 Arm，它们的指令集是不同的，所以需要使用不同的工具链。当然，Arm64 为了保证前向兼容，提供了一个 32 位的兼容模式，所以我们用 arm-linux-gnueabi-gcc 编译的应用程序也是可以直接在Arm64 的系统上运行的，但是 Linux Kernel 和 U-Boot 就不行，除非你提前把 CPU 切换到 32 位模式。曾经有个项目使用了一颗四核的 Arm64 芯片，但是内存只有64M，为了节省空间，在 CPU 运行到 U-Boot 之前，我们就把它切到了 32 位模式，后面的 U-Boot、Linux Kernel，应用全部都用 32 位编译，加上 Thumb 指令集，节省了不少空间。

我们应该怎样建立交叉编译环境

OK，这里来到了重点。我们知道了什么是交叉编译环境，那我们到底应该怎么开始呢？
网上有很多建立交叉编译环境的傻瓜教程，比如:

IBM的《如何为嵌入式开发建立交叉编译环境》
huihoo的《一步一步的制作arm-linux交叉编译环境》

这些都是很权威的交叉编译环境建立的教程，尽管如此我们还是会被这些东东“吓到”；可是从另外一个角度来看我们没有必要来这样做，因为我们的目的是应用这个环境来开发我们的应用程序，所以我们应该尽可
能少的在建立环境的阶段纠缠不清。好在情况不是很坏，网上有很多已经编译好的交叉编译环境的package
供我们下载使用。比如http://ftp.kelp.or.kr/pub/arm-linux/toolchain/，http://ftp.handhelds.org/projects/toolchain/，http://www.handhelds.org/download/projects/toolchain/，有几款公认的比较稳定的版本：

2.95.3
3.4.5
4.2.1

一般我们编译程序和编译器的版本没有关系，不乏特殊情况，比如在移植Qtopia4.x.x的时候，官方文档
就要求使用3.2.x以上的编译器。另外，如果编译过程中遇到了很奇怪的问题无法解决时，可以考虑换一个编
译器版本试试。

下面我们以arm-linux-gcc-3.4.1为例介绍交叉编译环境的建立。

到http://ftp.handhelds.org/projects/toolchain/下载arm-linux-gcc-3.4.1.tar.bz2

$ cd /work/src
$ wget http://ftp.handhelds.org/projects/toolchain/arm-linux-gcc-3.4.1.tar.bz2

解压缩到/usr/local

$ cd /usr/local
$ tar jxf /work/src/arm-linux-gcc-3.4.1.tar.bz2

注意建议不要使用tar的"v"参数，如果解压的文件比较大的话，使用"v"参数与不使用这个参数的解压速度有很大区别。

此时此文件夹下产生usr文件夹，在usr/local文件夹下有我们想要的文件夹arm，它的绝对路径是/usr/local/usr/local/arm，因此使用下面命令把/usr/local/usr/local/arm移到/usr/local/arm

$ mv usr/local/arm ./

交叉编译工具此时存在于/usr/local/arm/3.4.1/bin/

$ ls usr/local/arm/3.4.1/bin/
arm-linux-addr2line arm-linux-cpp arm-linux-gcov arm-linux-ranlib
arm-linux-ar arm-linux-g++ arm-linux-ld arm-linux-readelf
arm-linux-as arm-linux-gcc arm-linux-nm arm-linux-size
arm-linux-c++ arm-linux-gcc-3.4.1 arm-linux-objcopy arm-linux-strings
arm-linux-c++filt arm-linux-gccbug arm-linux-objdump arm-linux-strip

为了方便，我们需要把这个文件夹加到系统变量PATH里面，这样我们就可以像使用系统变量一样使用
这些命令了。编辑~/.bashrc，这个文件是隐藏文件，当用户登入时就会首先执行这个文件，因此我们
可以把设置环境变量的命令写进去。

$ echo “export PATH=$PATH:/usr/local/arm/3.4.1/bin” >> ~/.bashrc
$ source ~/.bashrc

到此为止，我们的交叉编译器就算搞定了，是不是不是想象中的那么难？^_

在Windows下交叉编译和调试树莓派软件

本文提供了利用VSCODE+CMAKE在Windows下交叉编译树莓派程序的方法，分别使用本地环境和WSL两种环境两种方式。以及远程调试的方法。

一、Windows下编译树莓派程序

和在Windows下用Mingw编译Windows程序没什么区别，只是生成的东西是树莓派的软件。Host是Windows, Target是ARM Linux。

安装编译器。
到这里下载编译器：raspberry编译器下载。
安装CMAKE
VSCODE 安装CMAKE Tools
按F1, 输入CMAKE: Quick Start生成CMakeLists.txt
跨平台编译，要在
```
CMakeLists.txt
```
的最上面加两行指定目标系统和架构，如下(最后一行设置rpath，Windows习惯了喜欢动态库和可执行放在一个文件夹)
```
set(CMAKE_SYSTEM_NAME Linux)
set(CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR arm)
set(CMAKE_BUILD_RPATH "./")
```

二、用WSL来编译树莓派程序

我还有个Respberry Zero，要重新找编译器（疑问，搞不懂官方的系统镜像怎么做到同时适配Zero和4B的？）。
在网上又找到了一个编译器：另一个respberry编译器下载。版本比较新，GCC 10.3.0支持到C++20，我喜欢。

题外话，如果要编译编译器那是一个大工程，可以用这个项目：crosstool-NG。人生苦短，能用就行。

这个编译器是Linux的，编译个树莓派程序还要装个Linux？抓耳挠腮一番突然反应过来，Windows10不就是“最好的Linux发行版”之一吗? ( •̀ .̫ •́ )✧
话不多说，立马打开WSL（我用Ubuntu，装WSL是另一个话题，网上很多，按下不表）。

把编译器拷进WSL，解压tar -zxvf cross-pi-gcc-10.3.0-0.tar.gz
手动放到/opt目录，这步只是为了看上去像那么回事一点
把要编译的源码也拷进来
安装CMake
运行VSCODE，连接WSL (需要Remote - WSL扩展)
在VSCODE里打开源码，提示说要为WSL安装扩展，那就装，直接C/C++ Extension Pack装上齐活。

不出意外，CMake扫描不到我们下载的跨平台编译器。按F1, 输入命令

>cmake: edit user-local cmake kits

，我们自己加一个。

注意路径文件写你自己的

{
    "name": "GCC 10.3.0 armv6l-linux-gnu",
    "compilers": {
      "C": "/opt/cross-pi-gcc-10.3.0-0/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc",
      "CXX": "/opt/cross-pi-gcc-10.3.0-0/bin/arm-linux-gnueabihf-g++"
    }
}

重新启动VSCODE，选择自己加进来的这个编译器。
CMAKE自动开始配置，我的配置完了提示说啥Error: spawn arm-linux-gnueabihf-gcc ENOENT错误之类的云云，无视之。
可以编译了，复制到ZERO里运行看看吧

三、通过gdbserver远程调试

在VSCODE的Run and Debug中，可以生成launch.json文件，里面这样写：

{
    // Use IntelliSense to learn about possible attributes.
    // Hover to view descriptions of existing attributes.
    // For more information, visit: https://go.microsoft.com/fwlink/?linkid=830387
    "version": "0.2.0",
    "configurations": [
        {
            "name": "remote_debug_demo",
            "type": "cppdbg",
            "request": "launch",
            // 你的程序名，比如我的是demo
            "program": "${workspaceFolder}/build/demo",
            "args": [],
            "stopAtEntry": false,
            "cwd": "${workspaceFolder}/build/",
            "environment": [],
            "externalConsole": false,
            "MIMode": "gdb",
            "setupCommands": [
                {
                    "description": "gdb pretty",
                    "text": "-enable-pretty-printing",
                    "ignoreFailures": true
                }
            ],
            // 这里是跨平台编译器带的GDB
            "miDebuggerPath":"/opt/cross-pi-gcc-10.3.0-0/bin/arm-linux-gnueabihf-gdb",
            // 这里是树莓派的IP地址和gdbserver的端口
            "miDebuggerServerAddress":"192.168.2.226:2000"
        }   
    ]
}

在树莓派中，安装gdbserver
程序编译成DEBUG版，并复制到树莓派中，以我的demo程序为例
执行gdbserver 0.0.0.0:2000 ./demo，启动软件开始调试demo程序。
在VSCODE中，按F5连接到树莓派调试。

题外话：我启动时遇到了gdb缺少依赖的情况，可以用ldd arm-linux-gnueabihf-gdb命令查看缺少什么。对照着装就可以。
我装了sudo apt install libpython2.7 libncurses5后搞定。

基于 MinGW 搭建 Windows 下的交叉编译环境

前言

在搭建交叉编译环境之前，软件的整个工程已经在开发板上直接编译通过。
目标软件是一个基于 Qt 的软件，使用 cmake + gcc 编译，同时需要 boost 等三方库，这些工具和库，之前都是直接在开发板的 Linux 环境中编译的。
本文不详细说明 Qt 和第三方库的编译过程，只是在上述基础上，搭建 Windows 下的交叉编译环境。

环境

硬件

* 主机：Dell XPS 15 9550
* CPU：i7-6700HQ @ 2.60GHz
* GPU 1：Intel(R) HD Graphics 530
* GPU 2：NVIDIA GeForce GTX 960M
* 内存：16GB
* 硬盘：265G SSD + 1TB 机械硬盘

软件
- 操作系统：Windows 10 教育版

下载安装 MinGW

下载安装工具：http://www.mingw.org/download/installer
运行下载后的可执行程序：mingw-get-setup.exe

选择安装路径 D:\MinGW

在打开的 MinGW Installation Manager 中，选择安装：

mingw-developer-toolkit
mingw32-base
mingw32-gcc-g++
msys-base

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1yWk2P3h-1680694951420)(https://yunfengbo.github.io/blog/2018/04/26/MinGW-cross-complie/MinGW-cross-complie/1.jpg)]
然后在菜单 Installation 中，选择 Apply Changes

完成后，运行 d:\MinGW\msys\1.0\msys.bat，打开 msys 命令行窗口：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Yejp70k2-1680694964153)(null)]

新建一个目录，然后到 Linaro 官网下载交叉编译工具：

目标 64 位系统：gcc-linaro-7.2.1-2017.11-i686-mingw32_aarch64-linux-gnu.tar.xz
目标 32 位系统：gcc-linaro-7.2.1-2017.11-i686-mingw32_arm-linux-gnueabihf.tar.xz

将下载后的交叉编译工具（以下为64位工具，32位类似），复制并解压：

mkdir arm-corss
xz -d gcc-linaro-7.2.1-2017.11-i686-mingw32_aarch64-linux-gnu.tar.xz
tar -xvf gcc-linaro-7.2.1-2017.11-i686-mingw32_aarch64-linux-gnu.tar

export PATH=$PATH:~/arm-corss/gcc-linaro-7.2.1-2017.11-i686-mingw32_aarch64-linux-gnu/bin

将下载后的交叉编译工具（以下为64位工具，32位类似），复制并解压：

mkdir arm-corss
xz -d gcc-linaro-7.2.1-2017.11-i686-mingw32_arm-linux-gnueabihf.tar.xz
tar -xvf gcc-linaro-7.2.1-2017.11-i686-mingw32_arm-linux-gnueabihf.tar

export PATH=$PATH:~/arm-corss/gcc-linaro-7.2.1-2017.11-i686-mingw32_arm-linux-gnueabihf/bin

以下内容，都以 64 位目标系统为例说明。

从最简单的开始

创建一个最简单的程序，保存为 hello.cpp：

#include <iostream>

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
    std::cout << "Hello World!" << std::endl;
    
    return 0;
}

在 msys 窗口中编译：

aarch64-linux-gnu-g++ hello.cpp -o hello

将编译好的 hello 文件上传到 ARM 开发板，然后在 ARM 环境中执行命令：

chmod +x hello
./hello

可以看到输出文字为：
Hello World!

复杂一点的

创建一个 OpenGL 程序，保存为 glut_test.cpp：

#include <GL/glut.h>

void init(void)
{
    glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
    glMatrixMode(GL_PROJECTION);
    glOrtho(-5, 5, -5, 5, 5, 15);
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    gluLookAt(0, 0, 10, 0, 0, 0, 0, 1, 0);

    return;
}

void display(void)
{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    glColor3f(1.0, 0, 0);
    glutWireTeapot(3);
    glFlush();

    return;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_SINGLE);
    glutInitWindowPosition(0, 0);
    glutInitWindowSize(300, 300);
    glutCreateWindow("OpenGL 3D View");
    init();
    glutDisplayFunc(display);
    glutMainLoop();

    return 0;
}

此时，编译上述程序：

aarch64-linux-gnu-g++ glut_test.cpp -lglut -lGL -lGLU -o glut_test

未完……