淺析gcc、arm-linux-gcc和arm-elf-gcc的關系

The GNU Compiler Collection，通常簡稱 GCC，是一套由 GNU 開發(fā)的編譯器集，為什么是編輯器集而不是編譯器呢？那是因為它不僅支持 C 語言編譯，還支持 C++， Ada，Objective C 等許多語言。另外 GCC 對硬件平臺的支持，可以所無所不在，它不僅支持 X86處理器架構, 還支持 ARM, Motorola 68000, Motorola 8800，AtmelAVR，MIPS 等處理器架構。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201611/319970.htm

二、GCC的組成結構

GCC 內部結構主要由 Binutils、gcc-core、Glibc 等軟件包組成。

1. Binutils：它是一組開發(fā)工具，包括連接器，匯編器和其他用于目標文件和檔案的工具。關于 Binutils 的介紹可以參考 Binutils 簡單介紹。這個軟件包依賴于不同的目標機的平臺。因為不同目標機的指令集是不一樣的，比如 arm 跟 x86 就不一樣。
2. gcc-core：顧明之意是 GCC 的核心部分，這部分是只包含 c 的編譯器及公共部分，而對其他語言（C++、Ada 等）的支持包需要另外安裝，這也是 GCC 為何如此強大的重要原因 。gcc-core依賴于 Binutils。
3. Glibc：包含了主要的 c 庫，這個庫提供了基本的例程，用于分配內存，搜索目錄，讀寫文件，字符串處理等等。kernel 和 bootloader不需要這個庫的支持。

舉例描述下上面 3 個包是如何進行運作的。有一個 c 源文件 test.c 源碼如下：

編譯命令為： gcc -o test test.c 編譯生成 test 可執(zhí)行文件。gcc 編譯流程分為四個步驟：預處理、編譯 、匯編、鏈接。個人認為預處理和編譯主要由 gcc-core 來完成，匯編和鏈接主要由 Binutils 來完成。那么何時用到 glibc 呢？看到源碼中的 printf 函數(shù)沒有，這個函數(shù)在 GCC 中是以庫函數(shù)的形式存在，這個庫函數(shù)在 glibc 庫中，在 stdio.h 頭文件中被聲明。
總的來說，如果真正了解了上面 3 個軟件包的作用，自然就明白 GCC 是如何工作的。

三、交叉編譯

交叉編譯（或交叉建立）是這樣一種過程，它在一種機器結構下編譯的軟件將在另一種完全不同的機器結構下執(zhí)行。一個常見的例子是在 PC 機上為運行在基于 ARM、PowerPC或 MIPS 的目標機的編譯軟件。幸運的是，GCC 使得這一過程所面臨的困難要比聽起來小得多。GCC 中的一般工具通常都是通過在命令行上調用命令（如 gcc）來執(zhí)行的。在使用交叉編譯的情況下，這些工具將根據(jù)它編譯的目標而命名。例如，要使用交叉工具鏈為 ARM 機器編譯簡單的 Hello World 程序，你可以運行如下所示的命令：使用如下命令編譯并測試這個代碼：arm-linux-gcc -o hello hello.c。

四、arm-linux-gcc

arm-linux-gcc 是基于 ARM 目標機的交叉編譯軟件，arm-linux-gcc 跟 GCC 所需的安裝包不同，但僅僅是名字不同而已，這是為什么呢？

x86 跟 ARM 所使用的指令集是不一樣的，所以所需要的 binutils 肯定不一樣；上面提到過 gcc-core 是依賴于 binutils 的，自然 ARM 跟 x86 所使用的 gcc-core 包也不一樣；glibc 一個 c 庫，最終是以庫的形式存在于編譯器中，自然 ARM 所使用的 glibc 庫跟 x86 同樣也不一樣，其它的依此類推。

五、arm-elf-gcc

arm-elf-gcc 跟 arm-linux-gcc 一樣，也是是基于 ARM 目標機的交叉編譯軟件。但是它們不是同一個交叉編譯軟件，兩者是有區(qū)別的，兩者區(qū)別主要在于使用不同的 C 庫文件。arm-linux-gcc 使用 GNU 的 Glibc，而 arm-elf-gcc 一般使用 uClibc/uC-libc 或者使用 RedHat專門為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)的C庫newlib。只是所應用的領域不同而已，Glibc是針對PC開發(fā)的，uClibc/uC-libc是與Glibc API兼容的小型化C語言庫，實現(xiàn)了Glibc部分功能。

六、uClibc/uC-libc

uClinux有兩個經(jīng)常使用的libc庫：uC-libc和uClibc。雖然兩者名字很相似，其實有差別，下面就簡單的介紹一下二者的不同之處。uC -libc是最早為uClinux開發(fā)的庫，是Jeff Dionne和Kenneth Albanowski為在EKLs項目中支持m68000在Linux-8086 C庫源碼上移植的。uC-libc是一個完全的libc實現(xiàn)，但其中有一些api是非標準的，有些libc的標準也沒有實現(xiàn)。uC-libc穩(wěn)定地支持 m68000，ColdFire和沒有MMU的ARM。其主要設計目標是“小”、“輕”，并盡量與標準一致，雖然它的API和很多l(xiāng)ibc兼容，但是似乎并不像它期望的那樣和所有標準一致。

uClibc就是為了解決這個問題從uC-libc中發(fā)展出來的。它的所有API都是標準的(正確的返回類型，參數(shù)等等)，它彌補了uC-libc中沒有實現(xiàn)的libc標準，現(xiàn)在已經(jīng)被移植到多種架構中。一般來講，它盡量兼容glibc以便使應用程序用uClibc改寫變的容易。uClibc能夠在標準的 VM linux和uClinux上面使用。為了應用程序的簡潔，它甚至可以在許多支持MMU的平臺上被編譯成共享庫。Erik Anderson在uClibc背后做了很多的工作。uClibc支持許多系列的處理器：m68000，Coldfire，ARM，MIPS，v850， x86，i960，Sparc，SuperH，Alpha，PowerPC和Hitachi 8。不斷增加的平臺支持顯示uClibc能夠很容易的適應新的架構。uClinux發(fā)行版提供了環(huán)境能夠讓你選擇使用uC-libc或是uClibc編譯。對于m68000和Coldfire平臺來說，選擇uC-libc還是稍微好一點，因為它支持共享庫，而共享庫是這些cpu經(jīng)常使用的 libc。uClibc也幾乎和所有的平臺都能很好的工作。

newlib 是一個用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼的C語言程序庫，由libc和libm兩個庫組成，特點是輕量級，速度快，可移植到很多CPU結構上。newlib實現(xiàn)了許多復雜的功能，包括字符串支持，浮點運算，內存分配(如malloc)和I/O流函數(shù)(printf，fprinf()等等)。其中l(wèi)ibc提供了c 語言庫的實現(xiàn)，而libm提供了浮點運算支持。

七、C語言庫的選擇

在為ARM交叉編譯gcc編譯器時，對gcc指定不同的配置選項時，使用的C語言庫就不同，gcc編譯器默認使用Glibc，也可以使用 uClibc/uC-libc(基本兼容Glibc API)，當使用--with-newlib時，gcc編譯器不使用Glibc。當沒有交叉編譯Glibc時，可以使用--with-newlib禁止連接Glibc而編譯bootstrap gcc編譯器。從gcc源目錄下的config/arm中的t-linux和t-arm-elf中可以看出，不同的--target也影響gcc連接C語言庫，t-linux(--target=arm-linux)默認使用Glibc，-arm-elf(--target=arm-elf)使用- Dinhibit_libc禁止連接Glibc，這時我們就可以使用newlib等其他C語言庫編譯GCC工具鏈。

雖然GCC工具鏈配置了不同的的C語言庫，但由于這些C語言庫都可以用來支持GCC，它們對核心數(shù)據(jù)的處理上不存在較大出入。因而arm-linux-* 和 arm-elf-*區(qū)別主要表現(xiàn)在C語言庫的實現(xiàn)上，例如不同系統(tǒng)調用，不同的函數(shù)集實現(xiàn)，不同的ABI/啟動代碼以及不同系統(tǒng)特性等微小的差別。

arm-linux-*和 arm-elf-*的使用沒有一個絕對的標準，排除不同庫實現(xiàn)的差異，gcc可以編譯任何系統(tǒng)。arm-linux-*和 arm-elf-*都可以用來編譯裸機程序和操作系統(tǒng)，只是在遵循下面的描述時系統(tǒng)程序顯得更加協(xié)調：

• arm-linux-*針對運行l(wèi)inux的ARM機器，其依賴于指定的C語言庫Glibc，因為同樣使用Glibc的linux而使得arm-linux-*在運行l(wèi)inux的ARM機器上編譯顯得更加和諧。
• arm-elf-*則是一個獨立的編譯體系，不依賴于指定的C語言庫Glibc，可以使用newlib等其他C語言庫，不要求操作系統(tǒng)支持，當其使用為嵌入式系統(tǒng)而設計的一些輕巧的C語言庫時編譯裸機程序(沒有l(wèi)inux等大型操作系統(tǒng)的程序)，如監(jiān)控程序，bootloader等能使得系統(tǒng)程序更加小巧快捷。