# 嵌入式TOOLchain工具 梳理 ## 简介 本文总结和梳理一下一些toolchain的规则和原理，方便后续跨平台的时候，给大家使用toolchain做一个参考。 解释如何理解`arm-none-eabi-gcc`等含义，以及如何一看就知道该用什么编译器。 当然如果有哪里写的不是很正确的，欢迎评论区纠正，大家讨论讨论看看自己用的编译器什么含义。 ## toolchain命名规则 首先我们根据最熟悉的`arm-none-eabi-gcc` 来理解命名规则，最后的gcc是工具，可能是gdb啥其他的，前面的 命名规则为：arch [-vendor] [-os] [-(gnu)eabi] - arch - 体系架构，如ARM，MIPS - vendor - 工具链提供商（这里如果没有厂商名称常用的是none和Unkonwn) - os - 目标操作系统(这里可能是linux，或者其他OS平台等) - eabi - 嵌入式应用二进制接口（Embedded Application Binary Interface） 仔细看这个命名规则,可以看到中间的os其实是可选项 第一个参数是arch架构，具体有哪些待会介绍。 第二个参数是`vendor` 这个具体厂商自己编译的toolchain 我们就不讲了，一般很多小公司会自己定义toolchain， 重点介绍常见的`none`和`unknown` - none： 通常指特别指明没有特定厂商， 通用的编译器 - unknown: 这里表示目标平台的 **操作系统未知** 或 **没有特定的操作系统** 这个是代码中的默认指，应该是即可能指没有os，也可能指没有厂商（很多可能自己编译，没有设置特定的值，就是该值） 例如：`arm-linux-gnueabi-gcc` 看这个参数就带了linux的参数代表基于linux平台的编译器，通常用来编译liunx操作系统相关的bin。 ## GCC源码 所有这些呢都来自于GCC源码： https://gcc.gnu.org/git/gcc.git 我们来看下`arm-none-eabi-gcc` 官网 https://developer.arm.com/downloads/-/gnu-rm 官网中有介绍 ``` Features: All GCC 10.3 features. ``` ![image-20250402215008859](images/image-20250402215008859.png) 所以大概率是基于10.3.0 的版本进行编译 另外从要下载的内容中可以看到最后一个参数是平台的相关参数，代表你要在windows上跑exe还是在linux上跑非exe的包，这里你要知道你的操作系统，windows只要下载win32即可。linux根据笔记本或者电脑芯片是ARM的还是x86的选择对应的，macos也有。 ![image-20250402215128926](images/image-20250402215128926.png) 我们下载执行一下`-v`命令 ![image-20250402215641681](images/image-20250402215641681.png) 这里有很多内容，具体哪里是我们需要参考的呢，这里有很多，大都是在用gcc编译的时候的参数 ``` Configured with: /mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/src/gcc/configure --build=x86_64-linux-gnu --host=i686-w64-mingw32 --target=arm-none-eabi --prefix=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/install-mingw --libexecdir=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/install-mingw/lib --infodir=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/install-mingw/share/doc/gcc-arm-none-eabi/info --mandir=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/install-mingw/share/doc/gcc-arm-none-eabi/man --htmldir=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/install-mingw/share/doc/gcc-arm-none-eabi/html --pdfdir=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/install-mingw/share/doc/gcc-arm-none-eabi/pdf --enable-languages=c,c++ --enable-mingw-wildcard --disable-decimal-float --disable-libffi --disable-libgomp --disable-libmudflap --disable-libquadmath --disable-libssp --disable-libstdcxx-pch --disable-nls --disable-shared --disable-threads --disable-tls --with-gnu-as --with-gnu-ld --with-headers=yes --with-newlib --with-python-dir=share/gcc-arm-none-eabi --with-sysroot=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/install-mingw/arm-none-eabi --with-libiconv-prefix=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/build-mingw/host-libs/usr --with-gmp=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/build-mingw/host-libs/usr --with-mpfr=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/build-mingw/host-libs/usr --with-mpc=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/build-mingw/host-libs/usr --with-isl=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/build-mingw/host-libs/usr --with-libelf=/mnt/workspace/workspace/GCC-10-pipeline/jenkins-GCC-10-pipeline-338_20211018_1634516203/build-mingw/host-libs/usr --with-host-libstdcxx='-static-libgcc -Wl,-Bstatic,-lstdc++,-Bdynamic -lm' --with-pkgversion='GNU Arm Embedded Toolchain 10.3-2021.10' --with-multilib-list=rmprofile,aprofile ``` 我们用命令`arm-none-eabi-gcc -march=?` 结果如下 ``` arm-none-eabi-gcc: error: unrecognized -march target: ? arm-none-eabi-gcc: note: valid arguments are: armv4 armv4t armv5t armv5te armv5tej armv6 armv6j armv6k armv6z armv6kz armv6zk armv6t2 armv6-m armv6s-m armv7 armv7-a armv7ve armv7-r armv7-m armv7e-m armv8-a armv8.1-a armv8.2-a armv8.3-a armv8.4-a armv8.5-a armv8.6-a armv8-m.base armv8-m.main armv8-r armv8.1-m.main iwmmxt iwmmxt2 arm-none-eabi-gcc: error: missing argument to '-march=' arm-none-eabi-gcc: fatal error: no input files compilation terminated. ``` 大概了解这个支持这么多的架构,当然每种架构的芯片都有很多种，这个目前大部分是 ## ARM 刚才的页面是嵌入式单独的页面，下面我们就来上强度，来个全一点的内容： https://developer.arm.com/downloads/-/arm-gnu-toolchain-downloads 源码： https://git.gitlab.arm.com/tooling/gnu-devtools-for-arm.git 这里的toolchain 超级多，会不会有选择困难？理解下面几个概念 架构 - **AArch32**： - 是 32 位的 ARM 架构，适用于 ARMv7 及更早版本。 - 主要用于低功耗、资源受限的嵌入式设备。 - 一般就是类似于STM32F4,F1等系列的单片机 - **AArch64**： - 是 64 位的 ARM 架构，属于 ARMv8 及更高版本。 - 提供更大的寻址空间和更高效的指令集。 - 一般就是类似于RK3588的ARM的64bit的SOC 可执行文件 - **ELF (Executable and Linkable Format)**： - 是一种通用的文件格式，用于可执行文件、目标文件和共享库。 - 适用于多种架构，包括 32 位和 64 位。 - **EABI (Embedded Application Binary Interface)**： - 是针对嵌入式系统的二进制接口规范。这个体积会更小 - 定义了数据类型、寄存器使用、堆栈组织等标准。 - 主要用于 32 位 ARM 架构。 简单理解就是： elf搭配aarch64 支持的架构更大，像64bit的寻址，elf的文件类型也更通用，当然需要的资源和编译出来的bin也就更大。 eabi搭配aarch32 则针对嵌入式的小型的32bit的系统寻址，eabi的接口规范编译出来的也更针对嵌入式，编译出来的会小一些，但是也就适合小型的系统。 - arm-none-eabi: 嵌入式的stm32之类的，无os的，32bit的MCU - arm-none-linux-gnueabihf: 代表工具链生成的可执行文件，是运行在linux操作系统上的。none代表通用 - aarch64-none-elf: 这个支持更大的64bit的MCU，无os运行的，比如RK3588上直接执行裸机程序 - aarch64-none-linux-gnu: 这个是生成在linux上执行的bin文件 ### host主机 host主机就是你当前希望编译器在哪颗CPU上运行，就是你当前用的电脑的架构 host主机分为以下几种： - i686： 一种 32 位的 x86 架构，主要用于个人电脑和服务器，例如Pentium Pro、Pentium II、Pentium III、Pentium 4 等, i686 架构已逐渐被 64 位的 x86_64 架构逐步取代,所以不用关心 - x86_x64: 向后兼容 32 位应用程序，同时支持 64 位应用程序，这个是我们常见的intel和amd的cpu架构 - aarch64: 通常也有可能，比如你用RK3588当作小电脑来运行。 - linux/macos/windowns: 接下来就选择你常用的操作系统，通常是windows 所以常用的，就选择windows，ubuntu就选linux > note 这里我们没有看到unknown字样，实际上我觉得这样理解：出现unknown基本都是编译的时候缺省值，不是官方或者正常发布toolchain机构发布的 接下来我们就知道当前如果是windows的话，想编译STM32等裸机的话，大概率用下面的编译器 arm-gnu-toolchain-14.2.rel1-mingw-w64-x86_64-arm-none-eabi.zip 如果遇到大型的linux嵌入式，大概率用下面的 arm-gnu-toolchain-14.2.rel1-mingw-w64-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf.zip mingw 主要是为了告诉你是在mingw里面进行编译的toolchain `MinGW-w64` 是一个开源的编译器工具链，用于在 Windows 平台上开发原生的 C/C++ 程序。 它是 `MinGW`（Minimalist GNU for Windows）项目的扩展，提供了对 64 位和 32 位程序的支持 macos也分为`darwin-x86_64` (intel CPU) 和`darwin-arm64` (arm CPU m1) ### GNU 另外对于linux平台还有下面的专业术语解释以下： arm-none-linux-gnueabihf： 使用 硬件浮点（Hard Float），默认浮点运算使用浮点寄存器（-mfloat-abi=hard），性能更好。就是编译的时候，遇到浮点运算会帮你转成使用CPU中的浮点寄存器的汇编。 aarch64-none-linux-gnu： 默认也支持硬件浮点，但通常不需要显式指定浮点 ABI，因为 AArch64 架构本身都支持浮点运算。 gnu种eabihf代表支持硬件浮点，一般FPU,通常linuxarm 32位的话，默认支持硬件浮点寄存器。 GNU什么含义： GNU 全称：GNU's Not Unix， GNU 提供了一系列用于开发和编译软件的工具，包括 GCC（GNU 编译器集合）、GDB（GNU 调试器）、Binutils（二进制工具集）等， 通常linux后面都跟着gnu， linux-gnu，估计用到LInux了，就支持更全的GNU 可以看到下面的toolchain，开头也有gnu字样，代表工具链里面的gcc，gdb等集成工具。 arm-gnu-toolchain-14.2.rel1-mingw-w64-x86_64-arm-none-eabi.zip ### EABI EABI（Embedded Application Binary Interface，嵌入式应用二进制接口）是由 ARM 公司及其合作伙伴共同开发的标准。它定义了在 ARM 架构上，编译器、汇编器、链接器等工具如何生成目标文件和可执行文件，以确保不同编译器生成的代码可以在 ARM 系统上互操作。 ## RISCV RISCV的比较官方的toolchain如下： https://github.com/riscv-collab/riscv-gnu-toolchain 从仓库中可以看到， 有以下几个子仓库： binutils https://sourceware.org/git/binutils-gdb.git GCC: https://gcc.gnu.org/git/gcc.git glibc: https://sourceware.org/git/glibc.git gdb: https://sourceware.org/git/binutils-gdb.git 从网站https://toolchains.bootlin.com/ 大概了解到，组成一个toolchain大概需要以下几个方面的内容： ``` binutils 2.41 gcc 13.3.0 gdb 14.2 glibc 2.39-74-g198632... linux-headers 4.19.315 ``` 下面讲下这几部分基本的内容 - binutils：像平时用的除了gcc之外的addr2line， ar， objdump，objcopy，都是用这个仓库生成的bin。 ``` * addr2line: (binutils)addr2line. Convert addresses to file and line. * ar: (binutils)ar. Create, modify, and extract from archives. * c++filt: (binutils)c++filt. Filter to demangle encoded C++ symbols. * cxxfilt: (binutils)c++filt. MS-DOS name for c++filt. * dlltool: (binutils)dlltool. Create files needed to build and use DLLs. * nm: (binutils)nm. List symbols from object files. * objcopy: (binutils)objcopy. Copy and translate object files. * objdump: (binutils)objdump. Display information from object files. * ranlib: (binutils)ranlib. Generate index to archive contents. * readelf: (binutils)readelf. Display the contents of ELF format files. * size: (binutils)size. List section sizes and total size. * strings: (binutils)strings. List printable strings from files. * strip: (binutils)strip. Discard symbols. * elfedit: (binutils)elfedit. Update ELF header and property of ELF files. * windmc: (binutils)windmc. Generator for Windows message resources. * windres: (binutils)windres. Manipulate Windows resources. ``` - gdb:gdb 其实也是binutils中的内容，只是gdb是和其他工具并列的，单独文件夹 - gcc: 这个之前讲了，其实就是生成bin中的gcc.exe的源码文件，用来编译出.o之类的,除了GCC还有个llvm - glibc: 这个是libc部分， 对于linux，基本都是用glibc作为libc的内容。比较大的就是glibc，主要内容包含 ​ libc的内容参考： https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/libc/introduction ​ 大致就是我们平时用的一些类似于memcpy，strcpy等库函数的头文件和实现，头文件基本是相似的，实现很多不同有以下几种主流的： - Newlib:https://sourceware.org/git/newlib-cygwin.git 这个是ARM官方嵌入式32方面的默认libc - picolibc: https://github.com/picolibc/picolibc 这个也是一款适合嵌入式STM32的小型的libc，zephyr在推广和使用 - glibc: https://sourceware.org/git/glibc.git 这个是linux官方所用的GNU的libc，大而全，出现在linux平台上 - uclibc: https://github.com/wbx-github/uclibc-ng.git 与 glibc 兼容性较好 支持多种架构， LGPLv2.1 - musl： https://git.musl-libc.org/cgit/musl ， 标准化程度高轻量级和高效 许可证友好 ：采用 MIT 许可证 - linux-headers 这个就不介绍了，根据linux系统的版本来，通常是一些linux系统的头文件。 从下面的途中看出，elf用的是newlib， glibc就是glibc，musl就是musl libc ![image-20250418225839693](toolchain/image-20250418225839693.png) ## LLVM LLVM是和GCC并列的东西，你可以认为GCC的竞品，源码如下： https://github.com/llvm/llvm-project/tree/main LLVM已经被Apple、Microsoft、Google、Facebook等各大公司采用。 LLVM是构架编译器(compiler)的框架系统，以C++编写而成，用于优化以任意程序语言编写的程序的编译时间(compile-time)、链接时间(link-time)、运行时间(run-time)以及空闲时间(idle-time)，对开发者保持开放，并兼容已有脚本。 ![image-20250418230344383](toolchain/image-20250418230344383.png) LLVM的编译主要用`clang ` 不是gcc了 它的编译汇编都是用的clang，前缀是"llvm-" PREFIX = 'llvm-' CC = 'clang' AS = 'clang' AR = PREFIX + 'ar' CXX = 'clang++' LINK = 'clang' llvm是用来替代gcc的。 ## LIBC 下面列出一些常见的libc的使用场景和特点。 ### glibc - **特点** ：功能全面，包含大量标准和扩展功能；兼容性好，遵循 POSIX、ISO C 等标准；支持多种硬件架构和操作系统；性能优化较好，适用于通用计算场景。 - **使用场景** ：广泛应用于各种主流 Linux 发行版，如桌面、服务器等，当需要使用丰富的标准库函数和良好的兼容性时，glibc 是常见选择。 ### musl - **特点** ：轻量级，代码量小、资源占用少；严格遵循 POSIX 和 ISO C 标准，注重代码正确性和简洁性；许可证友好，采用 MIT 许可证，适合商业应用。 - **使用场景** ：适用于对标准化要求高、资源受限的嵌入式系统，如物联网设备、小型嵌入式设备等，也适用于追求代码简洁高效、对启动速度和执行效率有严格要求的场景。 ### uClibc-ng - **特点** ：可移植性强，支持多种架构包括无内存管理单元的处理器；可配置性高，可根据需求裁剪功能模块；与 glibc 兼容性较好，大多数支持 glibc 的应用只需重新编译即可在 uClibc-ng 上运行。 - **使用场景** ：常用于资源受限的嵌入式 Linux 系统，如物联网设备、路由器、智能家电等，能有效减少系统占用空间，优化启动时间和功耗。 ### dietlibc - **特点** ：体积非常小，静态链接的最小程序体积可达到极低水平；注重性能优化，在某些操作上具有较高的效率；主要关注基本的 C 库功能，较少支持复杂的扩展功能。 - **使用场景** ：适用于对程序体积要求极小的嵌入式系统或特定的优化场景，如小型嵌入式设备、对启动速度和程序体积有极致要求的应用。 ### newlib - **特点** ：功能较为全面，包含一些适合嵌入式系统的功能，如网络协议栈支持；可移植性好，支持多种嵌入式架构；具有良好的稳定性和可靠性。 - **使用场景** ：常用于开发嵌入式系统，如小型路由器、工业控制设备等，也常用于需要网络功能的嵌入式应用中。 ### Picolibc - **特点** ：专为小型嵌入式系统设计，轻量级且高效；基于 Newlib 和 AVR Libc 开发，继承了其优点并进行了优化；支持多种架构，包括 ARM、RISC-V、MIPS 等。 - **使用场景** ：适用于资源有限的嵌入式设备，如物联网设备、智能家居产品、传感器节点、微控制器应用等。 ### Cosmopolitan Libc - **特点** ：轻量级、高度可配置；通过模块化和层次化设计，实现跨平台兼容性，可在不同操作系统和硬件平台上无缝切换。 - **使用场景** ：适用于需要跨平台部署的 C 语言应用，如嵌入式系统开发、云计算和分布式系统等 ## 制作和发布toolchain的公司 https://developer.arm.com/downloads/-/arm-gnu-toolchain-downloads - sourcery: 西门子http://www.codesourcery.com/ 这个已经不存在了， - linaro: 已经不更新 https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/ 参考： [riscv 各种版本GCC](https://www.cnblogs.com/ppqppl/articles/18077030) # 总结 本文基本把toolchain的一些基本参数都讲到了，肯定有一些不足支持，如果大家有各种补充也可以提建议， 不知道对于toolchain大家还有哪些疑问？可以提出来，我可以一一解答。