arm生态发展与交叉编译链选择

因为工作需要，最近在找一个能用于aarch64的交叉编译链。距离上次使用arm设备已经过去四五年了。arm发生了较大的变化，于是做了个完整的调研，并整理出来(资料来源于互联网，我只是按照时间线整理并补充完整)。

arm的历史

ARM的设计是艾康计算机公司于1983年开始的开发项目。

这个团队由Roger Wilson和Steve Furber带领，着手开发一种类似高级6502架构的处理器。Acorn计算机有一大堆建构在6502处理器上的计算机，因此能设计出一颗类似的芯片即意味着对公司有很大的优势。

Acorn RISC Machine：ARM2

用在BBC Micro上的ARM1 second processor

团队在1985年时开发出样本“ARM1”，而首颗真正能量产的“ARM2”于次年投产。ARM2具有32位的数据总线、26位的定址空间，并提供64 Mbyte的定址范围与16个32-bit的寄存器。寄存器中有一个作为程序计数器，其前面6位和后面2位用来保存处理器状态标记。ARM2可能是全世界最简单实用的32位微处理器，仅容纳了30,000个晶体管（六年后的摩托罗拉68000包含了70,000颗）。之所以精简的原因在于它不含微码（这大概占了68000的晶体管数约1/4至1/3）；而且与当时大多数的处理器相同，它没有包含任何的高速缓存。这个精简的特色使它只需消耗很少的电能，却能发挥比Intel 80286更好的性能[10]。后继的处理器“ARM3”则备有4KB的高速缓存，使它能发挥更佳的性能。

Apple、DEC、Intel、Marvell：ARM6、StrongARM、XScale[编辑]

在1980年代晚期，苹果计算机开始与艾康计算机合作开发新版的ARM核心。由于这项目非常重要，艾康计算机甚至于1990年将设计团队另组成一间名为安谋国际科技（Advanced RISC Machines Ltd.）的新公司。也基于这原因，使得ARM有时候反而称作Advanced RISC Machine而不是Acorn RISC Machine。由于其母公司ARM Holdings plc于1998年在伦敦证券交易所和NASDAQ挂牌上市[11]，使得Advanced RISC Machines成了ARM Ltd旗下拥有的产品[12]。

这个项目到后来进入“ARM6”，首版的样品在1991年发布，然后苹果计算机使用ARM6架构的ARM 610来当作他们Apple Newton产品的处理器。在1994年，艾康计算机使用ARM 610做为他们个人计算机产品的处理器。

在这些变革之后，内核部分却大多维持一样的大小——ARM2有30,000颗晶体管，但ARM6却也只增长到35,000颗。主要概念是以ODM的方式，使ARM核心能搭配一些选配的零件而制成一颗完整的CPU，而且可在现有的晶圆厂里制作并以低成本的方式达到很大的性能。

ARM的经营模式在于出售其IP核，授权厂家依照设计制作出建构于此核的微控制器和中央处理器。最成功的实现案例属ARM7TDMI，几乎卖出了数亿套内置微控制器的设备。

Digital曾购买这个架构的产权并研发出“StrongARM”。在233 MHz的频率下，这颗CPU只消耗1瓦特的电能（后来的芯片消耗得更少）。这项设计后来为了和英特尔的控诉和解而技术移转，英特尔因而利用StrongARM架构补强他们老旧的i960产品。英特尔后来开发出他们自有的高性能架构产品XScale，之后卖给了迈威尔科技。

支持智能手机、个人数码助理和其他手持设备最常见的架构是“ARMv4”。XScale和ARM926处理器是“ARMv5TE”，而且比起建构在ARMv4的StrongARM、ARM925T和ARM7TDMI等处理器还更常见于许多高端设备上[来源请求]。

内核种类

ARMv1 ARM1
ARMv2 ARM2、ARM3
ARMv3 ARM6、ARM7
ARMv4 StrongARM、ARM7TDMI、ARM9TDMI
ARMv5 ARM7EJ、ARM9E、ARM10E、XScale
ARMv6 ARM11、ARM Cortex-M
ARMv7 ARM Cortex-A、ARM Cortex-M、ARM Cortex-R
ARMv8(A) Cortex-A35、Cortex-A50系列[13]、Cortex-A72、Cortex-A73、Cortex-A75、Cortex-A76

架构

从1995年开始，《ARM体系结构参考手册》是ARM文档的主要来源，提供了关于ARM处理器架构和指令集，区分接口，所有的ARM处理器的支持（如指令语义）的实现细节可能会有所不同。该体系结构随着时间的演变，并与Cortex系列的核心开始，存在三个“配置”的定义如下：

"应用"配置: Cortex-A 系列
"嵌入式"配置: Cortex-R 系列
"微处理器"配置: ARM Cortex-M 系列。

每个配置允许有其子集的架构。

CPU模式

CPU ARM架构指定了以下的CPU模式。在任何时刻，CPU只可处于某一种模式，但可由于外部事件（中断）或编程方式进行模式切换。

用户模式仅非特权模式。

系统模式仅无需例外进入的特权模式。仅以执行明确写入CPSR的模式位的指令进入。Supervisor (svc) 模式在CPU被重置或者SWI指令被执行时进入的特权模式。

Abort 模式预读取中断或数据中断异常发生时进入的特权模式。

未定义模式未定义指令异常发生时进入的特权模式。

干预模式处理器接受一条IRQ干预时进入的特权模式。

快速干预模式处理器接受一条IRQ干预时进入的特权模式。

Hyp 模式armv-7a为cortex-A15处理器提供硬件虚拟化引进的管理模式。

arm授权方式

ARM公司本身并不靠自有的设计来制造或出售CPU，而是将处理器架构授权给有兴趣的厂家。ARM提供了多样的授权条款，包括售价与散播性等项目。对于授权方来说，ARM提供了ARM内核的集成硬件叙述，包含完整的软件开发工具（编译器、debugger、SDK），以及针对内含ARM CPU硅芯片的销售权。对于无晶圆厂的授权方来说，其希望能将ARM内核集成到他们自行研发的芯片设计中，通常就仅针对获取一份生产就绪的智财核心技术（IP Core）认证。

许多半导体公司持有ARM授权：Atmel、Broadcom、Cirrus Logic、Freescale（于2004从摩托罗拉公司独立出来）、富士通、英特尔（借由和Digital的控诉调停）、IBM、NVIDIA、台湾新唐科技（Nuvoton Technology）、英飞凌、任天堂、恩智浦半导体（于2006年从飞利浦独立出来）、OKI电气工业、三星电子、Sharp、STMicroelectronics、德州仪器和VLSI等许多这些公司均拥有各个不同形式的ARM授权。虽然ARM的授权项目由保密合约所涵盖，在知识产权工业，ARM是广为人知最昂贵的CPU内核之一。单一的客户产品包含一个基本的ARM内核可能就需索取一次高达美金20万的授权费用。而若是牵涉到大量架构上修改，则费用就可能超过千万美元。

交叉编译链选择

以上都是废话，重点关注armv8a即可。armv8a分为aarch32与aarch64两种模式。因此在选择交叉编译链时一定要确定自己运行的arm设备是什么架构，什么模式。

从授权上，交叉编译链分为免费授权版和付费授权版。

免费版目前有三大主流工具商提供，第一是GNU（提供源码，自行编译制作），第二是 Codesourcery，第三是Linora。

收费版有ARM原厂提供的armcc、IAR提供的编译器等等，因为这些价格都比较昂贵，不适合学习用户使用，所以不做讲述。

arm-none-linux-gnueabi-gcc：是 Codesourcery 公司（目前已经被Mentor收购）基于GCC推出的的ARM交叉编译工具。可用于交叉编译ARM（32位）系统中所有环节的代码，包括裸机程序、u-boot、Linux kernel、filesystem和App应用程序。

arm-linux-gnueabihf-gcc：是由 Linaro 公司基于GCC推出的的ARM交叉编译工具。可用于交叉编译ARM（32位）系统中所有环节的代码，包括裸机程序、u-boot、Linux kernel、filesystem和App应用程序。

aarch64-linux-gnu-gcc：是由 Linaro 公司基于GCC推出的的ARM交叉编译工具。可用于交叉编译ARMv8 64位目标中的裸机程序、u-boot、Linux kernel、filesystem和App应用程序。

arm-none-elf-gcc：是 Codesourcery 公司（目前已经被Mentor收购）基于GCC推出的的ARM交叉编译工具。可用于交叉编译ARM MCU（32位）芯片，如ARM7、ARM9、Cortex-M/R芯片程序。

arm-none-eabi-gcc：是 GNU 推出的的ARM交叉编译工具。可用于交叉编译ARM MCU（32位）芯片，如ARM7、ARM9、Cortex-M/R芯片程序。

命名规则

交叉编译工具链的命名规则为：arch [-vendor] [-os] [-(gnu)eabi]

arch – 体系架构，如ARM，MIPS（通过交叉编译工具生成的可执行文件或系统镜像的运行平台或环境）

vendor – 工具链提供商

os – 目标操作系统（host主要操作平台，也就是编译时的系统）

eabi – 嵌入式应用二进制接口（Embedded Application Binary Interface）

根据对操作系统的支持与否，ARM GCC可分为支持和不支持操作系统，如

arm-none-eabi：这个是没有操作系统的，自然不可能支持那些跟操作系统关系密切的函数，比如fork(2)。他使用的是newlib这个专用于嵌入式系统的C库。

arm-none-linux-eabi：用于Linux的，使用Glibc

linaro交叉编译链简介

以下面的链接为例，分析下各个文件的作用。http://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/5.5-2017.10/aarch64-linux-gnu/。该目录下面列出了一些列的交叉编译工具：

gcc-linaro-5.5.0-2017.10-i686-mingw32_aarch64-linux-gnu.tar.xz27-Feb-2018 00:17234.0Mopen

运行在32位x86windows主机的aarch64支持linux系统的交叉编译链。

gcc-linaro-5.5.0-2017.10-i686_aarch64-linux-gnu.tar.xz27-Feb-2018 00:1789.0Mopen

运行在32位x86linux主机的aarch64位支持linux系统的交叉编译链。

gcc-linaro-5.5.0-2017.10-x86_64_aarch64-linux-gnu.tar.xz27-Feb-2018 00:1789.9Mopen

运行在64位linux主机的aarch64位支持linux系统的交叉编译链。这个正是我要找的交叉编译链。

runtime-gcc-linaro-5.5.0-2017.10-aarch64-linux-gnu.tar.xz28-Jan-2018 17:326.2Mopen

runtime-gcc-linaro-5.5.0-2017.10-aarch64-linux-gnu.tar.xz.asc28-Jan-2018 17:3292open

sysroot-glibc-linaro-2.21-2017.10-aarch64-linux-gnu.tar.xz27-Feb-2018 00:1833.6Mopen

sysroot-glibc-linaro-2.21-2017.10-aarch64-linux-gnu.tar.xz.asc

这个runtime以及sysroot-glibc暂时不确定是做什么用的。

再补充点交叉编译链的东西：

实例

1、arm-none-eabi-gcc

（ARM architecture，no vendor，not target an operating system，complies with the ARM EABI）

用于编译 ARM 架构的裸机系统（包括 ARM Linux 的 boot、kernel，不适用编译 Linux 应用 Application），一般适合 ARM7、Cortex-M 和 Cortex-R 内核的芯片使用，所以不支持那些跟操作系统关系密切的函数，比如fork(2)，他使用的是 newlib 这个专用于嵌入式系统的C库。

2、arm-none-linux-gnueabi-gcc

(ARM architecture, no vendor, creates binaries that run on the Linux operating system, and uses the GNU EABI)

主要用于基于ARM架构的Linux系统，可用于编译 ARM 架构的 u-boot、Linux内核、linux应用等。arm-none-linux-gnueabi基于GCC，使用Glibc库，经过 Codesourcery 公司优化过推出的编译器。arm-none-linux-gnueabi-xxx 交叉编译工具的浮点运算非常优秀。一般ARM9、ARM11、Cortex-A 内核，带有 Linux 操作系统的会用到。

3、arm-eabi-gcc

Android ARM 编译器。

4、armcc

ARM 公司推出的编译工具，功能和 arm-none-eabi 类似，可以编译裸机程序（u-boot、kernel），但是不能编译 Linux 应用程序。armcc一般和ARM开发工具一起，Keil MDK、ADS、RVDS和DS-5中的编译器都是armcc，所以 armcc 编译器都是收费的（爱国版除外，呵呵~~）。

5、arm-none-uclinuxeabi-gcc 和 arm-none-symbianelf-gcc

arm-none-uclinuxeabi 用于uCLinux，使用Glibc。

arm-none-symbianelf 用于symbian，没用过，不知道C库是什么。

Codesourcery

Codesourcery推出的产品叫Sourcery G++ Lite Edition，其中基于command-line的编译器是免费的，在官网上可以下载，而其中包含的IDE和debug 工具是收费的，当然也有30天试用版本的。

目前CodeSourcery已经由明导国际(Mentor Graphics)收购，所以原本的网站风格已经全部变为 Mentor 样式，但是 Sourcery G++ Lite Edition 同样可以注册后免费下载。

Codesourcery一直是在做ARM目标 GCC 的开发和优化，它的ARM GCC在目前在市场上非常优秀，很多 patch 可能还没被gcc接受，所以还是应该直接用它的（而且他提供Windows下[mingw交叉编译的]和Linux下的二进制版本，比较方便；如果不是很有时间和兴趣，不建议下载 src 源码包自己编译，很麻烦，Codesourcery给的shell脚本很多时候根本没办法直接用，得自行提取关键的部分手工执行，又费精力又费时间，如果想知道细节，其实不用自己编译一遍，看看他是用什么步骤构建的即可，如果你对交叉编译器感兴趣的话。

ABI 和 EABI

ABI：二进制应用程序接口(Application Binary Interface (ABI) for the ARM Architecture)。在计算机中，应用二进制接口描述了应用程序（或者其他类型）和操作系统之间或其他应用程序的低级接口。

EABI：嵌入式ABI。嵌入式应用二进制接口指定了文件格式、数据类型、寄存器使用、堆积组织优化和在一个嵌入式软件中的参数的标准约定。开发者使用自己的汇编语言也可以使用 EABI 作为与兼容的编译器生成的汇编语言的接口。

两者主要区别是，ABI是计算机上的，EABI是嵌入式平台上（如ARM，MIPS等）。

arm-linux-gnueabi-gcc 和 arm-linux-gnueabihf-gcc

两个交叉编译器分别适用于 armel 和 armhf 两个不同的架构，armel 和 armhf 这两种架构在对待浮点运算采取了不同的策略（有 fpu 的 arm 才能支持这两种浮点运算策略）。

其实这两个交叉编译器只不过是 gcc 的选项 -mfloat-abi 的默认值不同。gcc 的选项 -mfloat-abi 有三种值 soft、softfp、hard（其中后两者都要求 arm 里有 fpu 浮点运算单元，soft 与后两者是兼容的，但 softfp 和 hard 两种模式互不兼容）：

soft：不用fpu进行浮点计算，即使有fpu浮点运算单元也不用，而是使用软件模式。

softfp： armel架构（对应的编译器为 arm-linux-gnueabi-gcc ）采用的默认值，用fpu计算，但是传参数用普通寄存器传，这样中断的时候，只需要保存普通寄存器，中断负荷小，但是参数需要转换成浮点的再计算。

hard： armhf架构（对应的编译器 arm-linux-gnueabihf-gcc ）采用的默认值，用fpu计算，传参数也用fpu中的浮点寄存器传，省去了转换，性能最好，但是中断负荷高。

把以下测试使用的C文件内容保存成 mfloat.c：

#include <stdio.h>
int main(void)
{
double a,b,c;
a = 23.543;
b = 323.234;
c = b/a;
printf(“the 13/2 = %f\n”, c);
printf(“hello world !\n”);
return 0;
}

1、使用 arm-linux-gnueabihf-gcc 编译，使用“-v”选项以获取更详细的信息：

arm-linux-gnueabihf-gcc -v mfloat.c
COLLECT_GCC_OPTIONS=’-v’ ‘-march=armv7-a’ ‘-mfloat-abi=hard’ ‘-mfpu=vfpv3-d16′ ‘-mthumb’ -mfloat-abi=hard

可看出使用hard硬件浮点模式。

2、使用 arm-linux-gnueabi-gcc 编译：

arm-linux-gnueabi-gcc -v mfloat.c
COLLECT_GCC_OPTIONS=’-v’ ‘-march=armv7-a’ ‘-mfloat-abi=softfp’ ‘-mfpu=vfpv3-d16′ ‘-mthumb’ -mfloat-abi=softfp

可看出使用softfp模式。

发布于 2018-11-18