淺析arm歷史和交叉編譯鏈選擇

時(shí)間：2020-10-22 21:40:59

關(guān)鍵字： ARM 交叉編譯鏈

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[導(dǎo)讀]眾所周知ARM的設(shè)計(jì)是艾康計(jì)算機(jī)公司于1983年開始的開發(fā)項(xiàng)目。這個(gè)團(tuán)隊(duì)由RogerWilson和SteveFurber帶領(lǐng)，著手開發(fā)一種類似高級(jí)6502架構(gòu)的處理器。Acorn計(jì)算機(jī)有一大堆建構(gòu)在6502處理器上的計(jì)算機(jī)，因此能設(shè)計(jì)出一顆類似的芯片即意味著對(duì)公司有很大的優(yōu)勢(shì)。

眾所周知ARM的設(shè)計(jì)是艾康計(jì)算機(jī)公司于1983年開始的開發(fā)項(xiàng)目。這個(gè)團(tuán)隊(duì)由RogerWilson和SteveFurber帶領(lǐng)，著手開發(fā)一種類似高級(jí)6502架構(gòu)的處理器。Acorn計(jì)算機(jī)有一大堆建構(gòu)在6502處理器上的計(jì)算機(jī)，因此能設(shè)計(jì)出一顆類似的芯片即意味著對(duì)公司有很大的優(yōu)勢(shì)。

AcornRISCMachine：ARM2

用在BBCMicro上的ARM1secondprocessor

團(tuán)隊(duì)在1985年時(shí)開發(fā)出樣本“ARM1”，而首顆真正能量產(chǎn)的“ARM2”于次年投產(chǎn)。ARM2具有32位的數(shù)據(jù)總線、26位的定址空間，并提供64Mbyte的定址范圍與16個(gè)32-bit的寄存器。寄存器中有一個(gè)作為程序計(jì)數(shù)器，其前面6位和后面2位用來保存處理器狀態(tài)標(biāo)記。ARM2可能是全世界最簡(jiǎn)單實(shí)用的32位微處理器，僅容納了30,000個(gè)晶體管(六年后的摩托羅拉68000包含了70,000顆)。之所以精簡(jiǎn)的原因在于它不含微碼(這大概占了68000的晶體管數(shù)約1/4至1/3);而且與當(dāng)時(shí)大多數(shù)的處理器相同，它沒有包含任何的高速緩存。這個(gè)精簡(jiǎn)的特色使它只需消耗很少的電能，卻能發(fā)揮比Intel80286更好的性能[10]。后繼的處理器“ARM3”則備有4KB的高速緩存，使它能發(fā)揮更佳的性能。

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

在1980年代晚期，蘋果計(jì)算機(jī)開始與艾康計(jì)算機(jī)合作開發(fā)新版的ARM核心。由于這項(xiàng)目非常重要，艾康計(jì)算機(jī)甚至于1990年將設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)另組成一間名為安謀國(guó)際科技(AdvancedRISCMachinesLtd.)的新公司。也基于這原因，使得ARM有時(shí)候反而稱作AdvancedRISCMachine而不是AcornRISCMachine。由于其母公司ARMHoldingsplc于1998年在倫敦證券交易所和NASDAQ掛牌上市[11]，使得AdvancedRISCMachines成了ARMLtd旗下?lián)碛械漠a(chǎn)品[12]。

這個(gè)項(xiàng)目到后來進(jìn)入“ARM6”，首版的樣品在1991年發(fā)布，然后蘋果計(jì)算機(jī)使用ARM6架構(gòu)的ARM610來當(dāng)作他們AppleNewton產(chǎn)品的處理器。在1994年，艾康計(jì)算機(jī)使用ARM610做為他們個(gè)人計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的處理器。

在這些變革之后，內(nèi)核部分卻大多維持一樣的大小——ARM2有30,000顆晶體管，但ARM6卻也只增長(zhǎng)到35,000顆。主要概念是以O(shè)DM的方式，使ARM核心能搭配一些選配的零件而制成一顆完整的CPU，而且可在現(xiàn)有的晶圓廠里制作并以低成本的方式達(dá)到很大的性能。

ARM的經(jīng)營(yíng)模式在于出售其IP核，授權(quán)廠家依照設(shè)計(jì)制作出建構(gòu)于此核的微控制器和中央處理器。最成功的實(shí)現(xiàn)案例屬ARM7TDMI，幾乎賣出了數(shù)億套內(nèi)置微控制器的設(shè)備。

Digital曾購(gòu)買這個(gè)架構(gòu)的產(chǎn)權(quán)并研發(fā)出“StrongARM”。在233MHz的頻率下，這顆CPU只消耗1瓦特的電能(后來的芯片消耗得更少)。這項(xiàng)設(shè)計(jì)后來為了和英特爾的控訴和解而技術(shù)移轉(zhuǎn)，英特爾因而利用StrongARM架構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)他們老舊的i960產(chǎn)品。英特爾后來開發(fā)出他們自有的高性能架構(gòu)產(chǎn)品XScale，之后賣給了邁威爾科技。

支持智能手機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理和其他手持設(shè)備最常見的架構(gòu)是“ARMv4”。XScale和ARM926處理器是“ARMv5TE”，而且比起建構(gòu)在ARMv4的StrongARM、ARM925T和ARM7TDMI等處理器還更常見于許多高端設(shè)備上[來源請(qǐng)求]。

內(nèi)核種類

ARMv1ARM1

ARMv2ARM2、ARM3

ARMv3ARM6、ARM7

ARMv4StrongARM、ARM7TDMI、ARM9TDMI

ARMv5ARM7EJ、ARM9E、ARM10E、XScale

ARMv6ARM11、ARMCortex-M

ARMv7ARMCortex-A、ARMCortex-M、ARMCortex-R

ARMv8(A)Cortex-A35、Cortex-A50系列[13]、Cortex-A72、Cortex-A73、Cortex-A75、Cortex-A76

架構(gòu)

從1995年開始，《ARM體系結(jié)構(gòu)參考手冊(cè)》是ARM文檔的主要來源，提供了關(guān)于ARM處理器架構(gòu)和指令集，區(qū)分接口，所有的ARM處理器的支持(如指令語(yǔ)義)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)可能會(huì)有所不同。該體系結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間的演變，并與Cortex系列的核心開始，存在三個(gè)“配置”的定義如下：

"應(yīng)用"配置:Cortex-A系列

"嵌入式"配置:Cortex-R系列

"微處理器"配置:ARMCortex-M系列。

每個(gè)配置允許有其子集的架構(gòu)。

CPU模式

CPUARM架構(gòu)指定了以下的CPU模式。在任何時(shí)刻，CPU只可處于某一種模式，但可由于外部事件(中斷)或編程方式進(jìn)行模式切換。

用戶模式僅非特權(quán)模式。

系統(tǒng)模式僅無需例外進(jìn)入的特權(quán)模式。僅以執(zhí)行明確寫入CPSR的模式位的指令進(jìn)入。Supervisor(svc)模式在CPU被重置或者SWI指令被執(zhí)行時(shí)進(jìn)入的特權(quán)模式。

Abort模式預(yù)讀取中斷或數(shù)據(jù)中斷異常發(fā)生時(shí)進(jìn)入的特權(quán)模式。

未定義模式未定義指令異常發(fā)生時(shí)進(jìn)入的特權(quán)模式。

干預(yù)模式處理器接受一條IRQ干預(yù)時(shí)進(jìn)入的特權(quán)模式。

快速干預(yù)模式處理器接受一條IRQ干預(yù)時(shí)進(jìn)入的特權(quán)模式。

Hyp模式armv-7a為cortex-A15處理器提供硬件虛擬化引進(jìn)的管理模式。

最新的armv8Aarm64與aarch64

在找交叉編譯鏈過程中被這三個(gè)困惑好久，在選擇之前一定要先搞明白這三者的關(guān)系

ARM在2007年已著手設(shè)計(jì)工作，并于2011年11月公報(bào)ARMv8A64bit指令集架構(gòu)，耗用了4年的研發(fā)時(shí)間。

ARMv8A分為A64及A32兩個(gè)部分，A64顧名思義屬于64bit的部份，主要存在于AARCH64的狀態(tài)。而A32又稱AARCH32狀態(tài)，用作支持現(xiàn)有A32ARM指令集。ARM并沒有采用AMDx86-64及IntelEM64T擴(kuò)充32bit指令做法，而是選擇全新開發(fā)專用的64bit指令。據(jù)ARM方面表示，這一做法與省電的考慮有關(guān)，當(dāng)運(yùn)行64biTISA時(shí)，ARMv7電路可處于閑置狀態(tài)，節(jié)省功耗。同A64ISA也移除了作用不大的LDM/STM(load/storemulTIple)指令，改為L(zhǎng)D/ST’P’指令，以降低復(fù)雜性及功耗，與此同時(shí)，32bit到64bit狀態(tài)轉(zhuǎn)換采用Inter-processing的做法，確保32bit到64bit指令皆可順利執(zhí)行。

armv8A架構(gòu)又細(xì)分為armv8.2a、armv8.3a、armv8.4a、armv8.5a。

在今年的Computex上arm公布了2018年的Cortex-A旗艦CPU，Cortex-A76.這個(gè)CPU的微構(gòu)架做了徹底的重新設(shè)計(jì)，它重點(diǎn)提高了峰值性能，同時(shí)良好地保持了性能功耗比。Cortex-A76將armCPU的性能推上了一個(gè)新高度。Cortex-A76還是armv8.2-a構(gòu)架實(shí)現(xiàn)，與現(xiàn)有的處理兼容，還是使用DSU技術(shù)，到時(shí)微構(gòu)架的重新設(shè)計(jì)使得它比Cortex-A75平均有35%的性能提升，且有40%的能耗比提升。對(duì)浮點(diǎn)數(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)運(yùn)算任務(wù)提升最大。麒麟980用的性能核心就是公版Cortex-A76.

Cortex-A76是第一個(gè)開始逐漸去除32bit支持的CPU。A76還是支持aarch32，但是只是在最低特權(quán)級(jí)的EL0支持，而aarch64在EL0-EL3都支持-從OS到底層的固件。在將來某個(gè)時(shí)候，arm非常有可能完全只支持64bit，這取決于arm生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

arm授權(quán)方式

ARM公司本身并不靠自有的設(shè)計(jì)來制造或出售CPU，而是將處理器架構(gòu)授權(quán)給有興趣的廠家。ARM提供了多樣的授權(quán)條款，包括售價(jià)與散播性等項(xiàng)目。對(duì)于授權(quán)方來說，ARM提供了ARM內(nèi)核的集成硬件敘述，包含完整的軟件開發(fā)工具(編譯器、debugger、SDK)，以及針對(duì)內(nèi)含ARMCPU硅芯片的銷售權(quán)。對(duì)于無晶圓廠的授權(quán)方來說，其希望能將ARM內(nèi)核集成到他們自行研發(fā)的芯片設(shè)計(jì)中，通常就僅針對(duì)獲取一份生產(chǎn)就緒的智財(cái)核心技術(shù)(IPCore)認(rèn)證。

許多半導(dǎo)體公司持有ARM授權(quán)：Atmel、Broadcom、CirrusLogic、Freescale(于2004從摩托羅拉公司獨(dú)立出來)、富士通、英特爾(借由和Digital的控訴調(diào)停)、IBM、NVIDIA、臺(tái)灣新唐科技(NuvotonTechnology)、英飛凌、任天堂、恩智浦半導(dǎo)體(于2006年從飛利浦獨(dú)立出來)、OKI電氣工業(yè)、三星電子、Sharp、STMicroelectronics、德州儀器和VLSI等許多這些公司均擁有各個(gè)不同形式的ARM授權(quán)。雖然ARM的授權(quán)項(xiàng)目由保密合約所涵蓋，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)工業(yè)，ARM是廣為人知最昂貴的CPU內(nèi)核之一。單一的客戶產(chǎn)品包含一個(gè)基本的ARM內(nèi)核可能就需索取一次高達(dá)美金20萬的授權(quán)費(fèi)用。而若是牽涉到大量架構(gòu)上修改，則費(fèi)用就可能超過千萬美元。

交叉編譯鏈選擇

以上都是廢話，重點(diǎn)關(guān)注armv8a即可。armv8a分為aarch32與aarch64兩種模式。因此在選擇交叉編譯鏈時(shí)一定要確定自己運(yùn)行的arm設(shè)備是什么架構(gòu)，什么模式。

從授權(quán)上，交叉編譯鏈分為免費(fèi)授權(quán)版和付費(fèi)授權(quán)版。

免費(fèi)版目前有三大主流工具商提供，第一是GNU(提供源碼，自行編譯制作)，第二是Codesourcery，第三是Linora。

收費(fèi)版有ARM原廠提供的armcc、IAR提供的編譯器等等，因?yàn)檫@些價(jià)格都比較昂貴，不適合學(xué)習(xí)用戶使用，所以不做講述。

arm-none-linux-gnueabi-gcc：是Codesourcery公司(目前已經(jīng)被Mentor收購(gòu))基于GCC推出的的ARM交叉編譯工具?？捎糜诮徊婢幾gARM(32位)系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)的代碼，包括裸機(jī)程序、u-boot、Linuxkernel、filesystem和App應(yīng)用程序。

arm-linux-gnueabihf-gcc：是由Linaro公司基于GCC推出的的ARM交叉編譯工具?？捎糜诮徊婢幾gARM(32位)系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)的代碼，包括裸機(jī)程序、u-boot、Linuxkernel、filesystem和App應(yīng)用程序。

aarch64-linux-gnu-gcc：是由Linaro公司基于GCC推出的的ARM交叉編譯工具?？捎糜诮徊婢幾gARMv864位目標(biāo)中的裸機(jī)程序、u-boot、Linuxkernel、filesystem和App應(yīng)用程序。

arm-none-elf-gcc：是Codesourcery公司(目前已經(jīng)被Mentor收購(gòu))基于GCC推出的的ARM交叉編譯工具?？捎糜诮徊婢幾gARMMCU(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交叉編譯工具?？捎糜诮徊婢幾gARMMCU(32位)芯片，如ARM7、ARM9、Cortex-M/R芯片程序。

命名規(guī)則

交叉編譯工具鏈的命名規(guī)則為：arch[-vendor][-os][-(gnu)eabi]

arch–體系架構(gòu)，如ARM，MIPS(通過交叉編譯工具生成的可執(zhí)行文件或系統(tǒng)鏡像的運(yùn)行平臺(tái)或環(huán)境)

vendor–工具鏈提供商

os–目標(biāo)操作系統(tǒng)(host主要操作平臺(tái)，也就是編譯時(shí)的系統(tǒng))

eabi–嵌入式應(yīng)用二進(jìn)制接口(EmbeddedApplicaTIonBinaryInterface)

根據(jù)對(duì)操作系統(tǒng)的支持與否，ARMGCC可分為支持和不支持操作系統(tǒng)，如

arm-none-eabi：這個(gè)是沒有操作系統(tǒng)的，自然不可能支持那些跟操作系統(tǒng)關(guān)系密切的函數(shù)，比如fork(2)。他使用的是newlib這個(gè)專用于嵌入式系統(tǒng)的C庫(kù)。

arm-none-linux-eabi：用于Linux的，使用Glibc

linaro交叉編譯鏈簡(jiǎn)介

以下面的鏈接為例，分析下各個(gè)文件的作用。http://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/5.5-2017.10/aarch64-linux-gnu/。該目錄下面列出了一些列的交叉編譯工具：

gcc-linaro-5.5.0-2017.10-i686-mingw32_aarch64-linux-gnu.tar.xz27-Feb-201800:17234.0Mopen

運(yùn)行在32位x86windows主機(jī)的aarch64支持linux系統(tǒng)的交叉編譯鏈。

gcc-linaro-5.5.0-2017.10-i686_aarch64-linux-gnu.tar.xz27-Feb-201800:1789.0Mopen

運(yùn)行在32位x86linux主機(jī)的aarch64位支持linux系統(tǒng)的交叉編譯鏈。

gcc-linaro-5.5.0-2017.10-x86_64_aarch64-linux-gnu.tar.xz27-Feb-201800:1789.9Mopen

運(yùn)行在64位linux主機(jī)的aarch64位支持linux系統(tǒng)的交叉編譯鏈。這個(gè)正是我要找的交叉編譯鏈。

runTIme-gcc-linaro-5.5.0-2017.10-aarch64-linux-gnu.tar.xz28-Jan-201817:326.2Mopen

runtime-gcc-linaro-5.5.0-2017.10-aarch64-linux-gnu.tar.xz.asc28-Jan-201817:3292open

sysroot-glibc-linaro-2.21-2017.10-aarch64-linux-gnu.tar.xz27-Feb-201800:1833.6Mopen

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

這個(gè)runtime以及sysroot-glibc暫時(shí)不確定是做什么用的。

再補(bǔ)充點(diǎn)交叉編譯鏈的東西：

實(shí)例

1、arm-none-eabi-gcc

(ARMarchitecture，novendor，nottargetanoperatingsystem，complieswiththeARMEABI)

用于編譯ARM架構(gòu)的裸機(jī)系統(tǒng)(包括ARMLinux的boot、kernel，不適用編譯Linux應(yīng)用Application)，一般適合ARM7、Cortex-M和Cortex-R內(nèi)核的芯片使用，所以不支持那些跟操作系統(tǒng)關(guān)系密切的函數(shù)，比如fork(2)，他使用的是newlib這個(gè)專用于嵌入式系統(tǒng)的C庫(kù)。

2、arm-none-linux-gnueabi-gcc

(ARMarchitecture,novendor,createsbinariesthatrunontheLinuxoperatingsystem,andusestheGNUEABI)

主要用于基于ARM架構(gòu)的Linux系統(tǒng)，可用于編譯ARM架構(gòu)的u-boot、Linux內(nèi)核、linux應(yīng)用等。arm-none-linux-gnueabi基于GCC，使用Glibc庫(kù)，經(jīng)過Codesourcery公司優(yōu)化過推出的編譯器。arm-none-linux-gnueabi-xxx交叉編譯工具的浮點(diǎn)運(yùn)算非常優(yōu)秀。一般ARM9、ARM11、Cortex-A內(nèi)核，帶有Linux操作系統(tǒng)的會(huì)用到。

3、arm-eabi-gcc

AndroidARM編譯器。

4、armcc

ARM公司推出的編譯工具，功能和arm-none-eabi類似，可以編譯裸機(jī)程序(u-boot、kernel)，但是不能編譯Linux應(yīng)用程序。armcc一般和ARM開發(fā)工具一起，KeilMDK、ADS、RVDS和DS-5中的編譯器都是armcc，所以armcc編譯器都是收費(fèi)的(愛國(guó)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，沒用過，不知道C庫(kù)是什么。

Codesourcery

Codesourcery推出的產(chǎn)品叫SourceryG++LiteEdition，其中基于command-line的編譯器是免費(fèi)的，在官網(wǎng)上可以下載，而其中包含的IDE和debug工具是收費(fèi)的，當(dāng)然也有30天試用版本的。

目前CodeSourcery已經(jīng)由明導(dǎo)國(guó)際(MentorGraphics)收購(gòu)，所以原本的網(wǎng)站風(fēng)格已經(jīng)全部變?yōu)镸entor樣式，但是SourceryG++LiteEdition同樣可以注冊(cè)后免費(fèi)下載。

Codesourcery一直是在做ARM目標(biāo)GCC的開發(fā)和優(yōu)化，它的ARMGCC在目前在市場(chǎng)上非常優(yōu)秀，很多patch可能還沒被gcc接受，所以還是應(yīng)該直接用它的(而且他提供Windows下[mingw交叉編譯的]和Linux下的二進(jìn)制版本，比較方便;如果不是很有時(shí)間和興趣，不建議下載src源碼包自己編譯，很麻煩，Codesourcery給的shell腳本很多時(shí)候根本沒辦法直接用，得自行提取關(guān)鍵的部分手工執(zhí)行，又費(fèi)精力又費(fèi)時(shí)間，如果想知道細(xì)節(jié)，其實(shí)不用自己編譯一遍，看看他是用什么步驟構(gòu)建的即可，如果你對(duì)交叉編譯器感興趣的話。

ABI和EABI

ABI：二進(jìn)制應(yīng)用程序接口(ApplicationBinaryInterface(ABI)fortheARMArchitecture)。在計(jì)算機(jī)中，應(yīng)用二進(jìn)制接口描述了應(yīng)用程序(或者其他類型)和操作系統(tǒng)之間或其他應(yīng)用程序的低級(jí)接口。

EABI：嵌入式ABI。嵌入式應(yīng)用二進(jìn)制接口指定了文件格式、數(shù)據(jù)類型、寄存器使用、堆積組織優(yōu)化和在一個(gè)嵌入式軟件中的參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)約定。開發(fā)者使用自己的匯編語(yǔ)言也可以使用EABI作為與兼容的編譯器生成的匯編語(yǔ)言的接口。

兩者主要區(qū)別是，ABI是計(jì)算機(jī)上的，EABI是嵌入式平臺(tái)上(如ARM，MIPS等)。

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

兩個(gè)交叉編譯器分別適用于armel和armhf兩個(gè)不同的架構(gòu)，armel和armhf這兩種架構(gòu)在對(duì)待浮點(diǎn)運(yùn)算采取了不同的策略(有fpu的arm才能支持這兩種浮點(diǎn)運(yùn)算策略)。

其實(shí)這兩個(gè)交叉編譯器只不過是gcc的選項(xiàng)-mfloat-abi的默認(rèn)值不同。gcc的選項(xiàng)-mfloat-abi有三種值soft、softfp、hard(其中后兩者都要求arm里有fpu浮點(diǎn)運(yùn)算單元，soft與后兩者是兼容的，但softfp和hard兩種模式互不兼容)：

soft：不用fpu進(jìn)行浮點(diǎn)計(jì)算，即使有fpu浮點(diǎn)運(yùn)算單元也不用，而是使用軟件模式。

softfp：armel架構(gòu)(對(duì)應(yīng)的編譯器為arm-linux-gnueabi-gcc)采用的默認(rèn)值，用fpu計(jì)算，但是傳參數(shù)用普通寄存器傳，這樣中斷的時(shí)候，只需要保存普通寄存器，中斷負(fù)荷小，但是參數(shù)需要轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)的再計(jì)算。

hard：armhf架構(gòu)(對(duì)應(yīng)的編譯器arm-linux-gnueabihf-gcc)采用的默認(rèn)值，用fpu計(jì)算，傳參數(shù)也用fpu中的浮點(diǎn)寄存器傳，省去了轉(zhuǎn)換，性能最好，但是中斷負(fù)荷高。

把以下測(cè)試使用的C文件內(nèi)容保存成mfloat.c：

#include

intmain(void)

{

doublea,b,c;

a=23.543;

b=323.234;

c=b/a;

printf(“the13/2=%f\n”,c);

printf(“helloworld!\n”);

return0;