[Embedded cross compiler] How to select and use a high-version cross compiler under the ARM architecture

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1 Introduction

1.1 Importance of cross compiler

Cross compiler (Cross-Compiler) is an indispensable tool in embedded development. It allows you to compile code on one platform (usually your development machine) to run on a different platform (such as an ARM-based embedded device). This capability not only saves time, but also greatly improves development efficiency.

“Premature optimization is the root of all evil”，这句话出自 Donald Knuth 的名著《计算机程序设计艺术》（“The Art of Computer Programming”）。然而，在嵌入式领域，优化从来都不是过早的。交叉编译器在这里起到了关键作用，它不仅处理代码转换，还进行底层优化，确保你的程序能在目标平台上高效运行。

1.2 C++ 标准版本的演变

C++ 是一种不断演变的语言。从最初的 ANSI C++ 到现在的 C++20，每个新版本都引入了许多新特性和改进。这些新特性，如智能指针（Smart Pointers）、范围循环（Range-based Loops）和结构化绑定（Structured Bindings），都极大地提高了代码的可读性和可维护性。

“人们更容易看到自己习惯的东西”，这句心理学名言在这里也适用。当你习惯了使用高级的 C++ 特性，回到旧版本就像是一种“文化冲击”。因此，选择一个支持更高 C++ 标准版本的交叉编译器变得尤为重要。

1.3 文章目的和受众

本文的目的是为嵌入式开发者提供一个全面而深入的指南，特别是那些在 ARM 架构（包括 ARM32 和 ARM64）下工作的开发者。我们将探讨如何选择和使用支持更高 C++ 标准版本（如 C++17）的交叉编译器。

受众主要是具有一定 C++ 和嵌入式开发经验的开发者，尤其是那些希望或需要迁移到更高版本 C++ 标准的人。

在接下来的章节中，我们将深入探讨各种因素和步骤，从评估现有环境和选择合适的交叉编译器，到处理与 libc 和系统依赖相关的问题。我们还将从底层源码的角度解释一些核心概念，并用 Markdown 表格总结一些关键技术的对比。

希望这篇文章能为你提供有价值的信息和实用的技巧，帮助你更有效地进行嵌入式开发。

2. 了解交叉编译器和工具链

2.1 什么是交叉编译器

交叉编译器（Cross-Compiler）是一种特殊类型的编译器，它允许你在一个平台（Host）上编译代码，以便在另一个不同的平台（Target）上运行。这在嵌入式开发中尤为重要，因为目标硬件通常没有足够的资源来执行编译任务。

在编译器的世界里，有一句名言：“The only way to do it is to do it”，这句话出自编程名著《编译原理》（“Compilers: Principles, Techniques, and Tools”，也被称为“龙书”）。交叉编译器就是这样，它不仅仅是一个工具，更是一种实现目标的手段。

2.2 工具链的组成元素

一个完整的交叉编译工具链（Toolchain）通常包括以下几个主要组件：

• 编译器（Compiler）: 负责将源代码转换为目标机器代码。
• 汇编器（Assembler）: 将编译器生成的汇编代码转换为机器代码。
• 链接器（Linker）: 将多个对象文件和库链接成一个可执行文件。
• 标准库（Standard Library，如 libc）: 提供基础的程序运行时支持。
• 调试器（Debugger）: 用于代码调试。

组件	功能	示例
Compiler	源代码到目标机器代码的转换	gcc, clang
Assembler	汇编代码到机器代码的转换	as
Linker	链接对象文件和库	ld
Standard Lib	提供基础运行时支持	libc, libstdc++
Debugger	代码调试	gdb

2.3 开源社区在交叉编译器领域的贡献

开源社区在交叉编译器的发展中起到了巨大的作用。项目如 GCC（GNU Compiler Collection）、LLVM/Clang 和 Crosstool-NG 等都是由社区维护和发展的。这些项目不仅提供了高质量的编译器和工具，还有丰富的文档和活跃的社区支持。

“Give a man a fish, and you feed him for a day. Teach a man to fish, and you feed him for a lifetime.” 这句古老的名言在这里也适用。开源社区不仅提供了现成的工具，还教会了我们如何使用和改进这些工具，甚至如何自己创建新的工具。

3. ARM 架构简介

3.1 ARM32 与 ARM64 的区别

ARM 架构有两个主要的版本：ARM32 和 ARM64，分别对应 32 位和 64 位的处理器。这两者在指令集、内存管理和性能方面有一些关键的不同。

• 指令集（Instruction Set）: ARM64 引入了一套更简洁、更高效的指令集。
• 内存管理（Memory Management）: ARM64 支持更大的内存地址空间。
• 性能（Performance）: 通常来说，ARM64 会比 ARM32 更高效，尤其是在数据密集型应用中。

特性	ARM32	ARM64
指令集	较复杂	更简洁
内存地址空间	有限（4GB 或更少）	更大（18.4M TB）
性能	一般	通常更高

3.2 ARM 在嵌入式系统中的应用

ARM 架构因其高性能和低功耗而在嵌入式系统中得到了广泛应用。从智能手机和平板电脑到物联网设备和工业自动化系统，ARM 都有着广泛的应用场景。

“知其然，知其所以然”，这句话在这里也非常适用。了解 ARM 架构的内部工作原理，可以帮助我们更好地理解如何选择和使用交叉编译器。

3.2.1 物联网（IoT）

在物联网领域，ARM 架构通常用于低功耗、高性能的边缘设备。这些设备需要在有限的资源下运行复杂的算法和处理大量的数据。

3.2.2 工业自动化

在工业自动化中，ARM 处理器通常用于控制机器和处理传感器数据。这里需要的是高度可靠和实时的性能，ARM 架构能很好地满足这些需求。

4. 评估现有环境

在决定升级到一个更高版本的交叉编译器之前，了解和评估你当前的开发环境是至关重要的。这一步骤可以帮助你避免未来可能出现的各种问题，从而让你的升级过程更加顺利。

4.1 芯片厂商的推荐

首先，你需要考虑的是芯片厂商对于编译器版本的推荐。这通常是因为芯片厂商已经对特定版本的编译器进行了大量的测试和优化。例如，如果你的芯片厂商推荐使用 C++14，那么他们可能已经确保了该版本与他们的硬件有最佳的兼容性。

4.1.1 厂商文档和支持

厂商通常会提供详细的文档，包括所支持的 C++ 版本、系统调用（System Calls）和其他相关信息。这些文档是你的第一手资料，不要忽视它们。

4.1.2 社区反馈

除了厂商的文档，也值得查看开发者社区中的反馈。有时，社区成员可能已经尝试了不同版本的编译器，并分享了他们的经验。

4.2 内核版本和系统调用

内核版本和系统调用是另一个需要考虑的重要因素。这是因为 libc（C标准库）通常会依赖于特定的系统调用，而这些系统调用可能会在不同版本的内核中有所不同。

4.2.1 内核版本

确保你知道你的目标系统运行的是哪个版本的内核。这有助于你了解哪些系统调用是可用的，以及是否需要进行任何特殊的配置。

4.2.2 系统调用

系统调用是程序与操作系统内核进行交互的方式。不同版本的内核可能支持不同的系统调用或者同一系统调用的不同变体。

系统调用	内核版本	用途
open()	2.6.x	打开文件
mmap()	3.x	内存映射
clone()	4.x	创建进程

4.3 现有代码库的 C++ 版本

最后，但同样重要的是，你需要考虑你的现有代码库使用的是哪个版本的 C++. 如果你的代码库是用 C++14 写的，而你打算升级到 C++17，那么你需要确保你的代码是向前兼容的。

4.3.1 代码审查

进行代码审查以确定是否使用了任何特定于旧版本的 C++ 特性。这样可以帮助你更容易地进行迁移。

4.3.2 测试覆盖

确保你有足够的测试覆盖率。这是因为即使 C++17 在语法和特性上大体上是向后兼容的，也可能存在一些细微的行为差异。

5. 选择合适的交叉编译器

选择一个合适的交叉编译器是一个多维度的决策过程，涉及到兼容性、特性、以及社区支持等多个方面。这一章将深入探讨这些因素，并提供一些实用的建议。

5.1 兼容性考虑

兼容性是选择交叉编译器时最重要的因素之一。这不仅包括硬件兼容性，还包括软件依赖和内核版本。

5.1.1 硬件兼容性

确保所选的编译器支持你的目标硬件架构，如 ARM32 或 ARM64。这通常可以从编译器的官方文档或硬件厂商的推荐中找到。

5.1.2 软件依赖

检查编译器是否有特定的软件依赖，例如特定版本的 libc（C标准库）或其他库。这些依赖可能会影响你的应用程序的运行。

5.2 特性和优化

不同版本的编译器会有不同的特性和优化选项。例如，C++17 提供了一些新的语言特性，如 std::optional 和 std::variant。

5.2.1 语言特性

如果你的项目能从新的语言特性中受益，那么升级到更高版本的编译器是有意义的。但记住，新特性也可能带来新的复杂性。

5.2.2 编译器优化

高版本的编译器通常会包含更先进的优化算法，这可能会对你的应用程序的性能产生积极影响。

特性/优化	C++14	C++17
auto 类型推导	✅	✅
std::optional	❌	✅
循环展开优化	✅	✅

5.3 社区支持和文档

最后，但同样重要的是，考虑编译器的社区支持和文档。一个活跃的社区和丰富的文档通常意味着你在遇到问题时能够更容易地找到帮助。

5.3.1 开源社区

开源社区通常会提供大量的教程、示例和最佳实践。这些资源可以大大加速你的开发过程。

5.3.2 厂商支持

除了开源社区，一些大型厂商（如 ARM、Intel 等）也会提供专门的支持和文档。

6. libc 和系统依赖

在嵌入式开发中，libc（C标准库）和系统依赖是不可或缺的组成部分。这一章将深入探讨这些元素，以及如何在升级交叉编译器的过程中妥善处理它们。

6.1 libc 在工具链中的角色

libc 是连接你的应用程序和操作系统内核的桥梁。它提供了一系列基础的 API，用于文件操作、内存管理、字符串处理等。

6.1.1 标准函数和系统调用

libc 包含了一系列标准的 C 函数，如 printf()、malloc() 等，这些函数最终通常会调用操作系统内核的系统调用（System Calls）。

6.1.2 ABI（Application Binary Interface 应用程序二进制接口）

libc 还定义了 ABI，这是应用程序和操作系统之间交互的接口。不同版本的 libc 可能有不同的 ABI，这是需要特别注意的。

6.2 如何替换 libc

替换 libc 是一个复杂的过程，需要谨慎操作。下面是一些关键步骤。

6.2.1 兼容性检查

首先，需要确保新的 libc 版本与你的目标平台和内核版本兼容。

6.2.2 测试

在替换之后，进行全面的测试是非常重要的。这包括功能测试、性能测试和安全测试。

6.3 系统依赖和内核功能

除了 libc 之外，还可能有其他系统依赖需要考虑。

6.3.1 内核模块

有些功能可能依赖于特定的内核模块。确保这些模块在你的目标系统上是可用的。

6.3.2 其他库依赖

除了 libc，你的应用程序还可能依赖于其他库，如 OpenSSL、libcurl 等。确保这些库与你的新编译器和 libc 版本兼容。

7. 实施步骤

在前面的章节中，我们已经深入探讨了如何选择适合你的 ARM 架构（无论是 ARM32 还是 ARM64）的交叉编译器。现在，让我们进入更为实际的阶段：如何实施这一切。这一章节将是一次深入的实践探索，我们将一步步走过安装、配置、代码迁移和测试的全过程。

7.1 安装和配置交叉编译器

7.1.1 下载编译器

首先，你需要从可靠的源下载适合你的 ARM 架构的交叉编译器。这通常会是一个预编译的二进制包（binary package）或者源代码（source code）。

• 预编译的二进制包：这是最快捷的方式，但你需要确保这个包适用于你的目标系统。
• 源代码：如果你需要更高级的定制，你可以从源代码开始编译。

这里，我们以 GCC（GNU Compiler Collection，GNU 编译器套件）为例。你可以从 GCC 官网 或者通过包管理器（如 apt 或 yum）进行下载。

7.1.2 配置环境变量

下载并安装完编译器后，你需要设置一些环境变量，比如 PATH，以便系统能找到编译器的可执行文件。

export PATH=$PATH:/path/to/your/compiler/bin

这样做的目的是让你在任何地方都能方便地调用编译器。

7.2 代码迁移和测试

7.2.1 代码审查

在开始迁移之前，你需要进行代码审查（Code Review）。这不仅仅是为了找出潜在的错误，更是为了确保代码能在新的 C++ 标准下运行。这一步骤中，你可能会遇到一些已经被废弃（deprecated）或者有更好替代的 C++ 语法和库函数。

7.2.2 修改构建脚本

大多数项目都有自动化的构建系统，比如 Makefile 或 CMakeLists.txt。你需要更新这些脚本，以指定新的编译器路径和 C++ 标准版本。

例如，在 CMake 中，你可以这样设置：

set(CMAKE_CXX_COMPILER "/path/to/your/compiler/g++")
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)

7.2.3 单元测试

单元测试（Unit Testing）是代码迁移中不可或缺的一步。你需要确保在新的编译环境下，所有的功能都能如预期那样工作。

7.3 验证和部署

7.3.1 性能测试

在所有的单元测试通过后，下一步是进行性能测试。这里，你需要关注的是 CPU 使用率、内存消耗等关键指标。

7.3.2 部署到目标系统

最后一步是将编译好的代码部署到目标系统上。这通常涉及到文件传输、设置运行权限等操作。

结语

在我们的编程学习之旅中，理解是我们迈向更高层次的重要一步。然而，掌握新技能、新理念，始终需要时间和坚持。从心理学的角度看，学习往往伴随着不断的试错和调整，这就像是我们的大脑在逐渐优化其解决问题的“算法”。

这就是为什么当我们遇到错误，我们应该将其视为学习和进步的机会，而不仅仅是困扰。通过理解和解决这些问题，我们不仅可以修复当前的代码，更可以提升我们的编程能力，防止在未来的项目中犯相同的错误。

我鼓励大家积极参与进来，不断提升自己的编程技术。无论你是初学者还是有经验的开发者，我希望我的博客能对你的学习之路有所帮助。如果你觉得这篇文章有用，不妨点击收藏，或者留下你的评论分享你的见解和经验，也欢迎你对我博客的内容提出建议和问题。每一次的点赞、评论、分享和关注都是对我的最大支持，也是对我持续分享和创作的动力。

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