在 Linux 下安装 GNU ARM 工具链

针对大众化处理器的嵌入式开发工具

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英文原文

级别： 初级

Bill Zimmerly , 自由作家和知识工程师, Author

2009 年 6 月 25 日

可以使用多种工具编写不同版本的 ARM 内核，但最流行的一组工具是 GNU ARM 工具链。更多地了解如何使用 ARM 内核进行嵌入式开发，以及如何安装并使用 GNU 工具。

如果您对在最普遍的微处理器上开发嵌入式系统感兴趣，那么 Advanced RISC Machines (ARM) 内核是您的最佳选择。本文通过描述一组常用的工具（GNU ARM 工具链），帮助您开始理解嵌入式系统开发的软件部分。

ARM 家族

嵌入式系统开发人员最关注的问题之一是，如果通过最少的电能获得最大的处理能力。对于如何在处理器功率和电池消耗之间找到平衡点，ARM 处理器家族拥有最好的设计。

通过积累 20 多年来开发多个版本的经验，ARM 内核获得了最先进的技术。运行在移动电话上（比如 T-Mobile G1 Android）的最新芯片级系统 (SoC) 处理器组合了双核（ARM9 和 ARM11）处理器，从而改进了低功耗平台上的多媒体应用程序的性能。

最新的 ARM 内核支持两种操作状态：ARM 状态，其中内核执行 32 位整词对齐指令；和 THUMB 状态，其中内核执行 16 位半词对齐指令。ARM 模式为处理器提供最大的功率和寻址范围，而 THUMB 模式允许以紧凑、节省内存的方式编写应用程序的某些部分，从而节省内存开销。在这两种模式之间切换是很容易的，并且对很多算法而言，代码的行数可以大大减少。

ARM 处理器通过利用改进的 Harvard 架构 提升了性能。在这种架构中，处理器使用独立的数据和指令缓存，但它们通过相同的总线访问额外内存。另外，指令被装入分为 5 个阶段的 “管道”，从而使并行处理发生在最近加载到管道中的 5 个指令上。换句话说，这 5 个独立的行为（获取、解码、ALU、内存和写）涉及到并行发生的指令。只要管道的流通稳定，代码就能享受到并行带来的速度优势。但如果有一个分支在管道之外编写代码，就必须重置整个管道，这会损害性能。所以在设计代码时要谨慎，尽量避免使用分支。

ARM 架构提供的一个独特特性是 —— 迫使程序员用全新的、独特的方式思考 —— 可以根据系统标志的当前状态选择执行每个指令。该特性能够避免在某些算法中使用分支，从而保持基于管道的指令和数据缓存机制以最佳的性能运行（因为分支导致不必要地清除缓存）。

GNU ARM 工具链

大部分 ARM 系统编程发生在使用交叉编译工具的非 ARM 工作站上，其目标是在 ARM 平台上使用。GNU ARM 工具链是一种编程环境，它允许您在设计、开发和使用 ARM 模拟器进行测试时选择自己最喜欢的工作站环境。

GNU 工具链驻留在 CodeSourcery 上（见 参考资料 部分的链接），可以免费下载使用。它也被称为 Sourcery G++ Lite。除了 GNU C Library 之外，其他所有工具都是根据标准的 GNU Public License version 3 (GPL3) 进行授权的。GNU C Library 根据 GPL version 2.1 进行授权。GNU 工具链中包含的工具有二进制实用程序（binutils）、GNU Compiler Collection (GCC)、GNU Remote Debugger (GDB)、GNU make 和 GNU 内核实用程序。

此外，Sourcery G++ Lite 包还包含大量关于 GNU 工具链的文档，其中包括 GNU Coding Standards 文档 —— 在 GNU 汇编程序文档下面，是很好的读物，因为您可以找到许多关于 ARM 的信息：代码、语法和指令等。

下载和安装 GNU 工具链

要下载 GNU 工具链，请访问 CodeSourcery 下载站点（见 参考资料）并选择 IA32 GNU/Linux TAR 文件：

arm-2008q3-72-arm-none-linux-gnueabi-i686-pc-linux-gnu.tar.bz2                        

有针对主要客户机操作系统的各种 GNU 版本，但本文主要关注在 Linux® 下安装和使用工具链的 Lite 版本。

由于 ARM 设计在其发展过程中已经经历不同的版本，所以这个 Lite 包包含了处理器设计的 3 个最常见版本的不同 C 库，这 3 个版本是 ARM v4T、ARM v5T 和 ARM 7。

接下来，使用 bunzip2 命令将文件提取到您的主目录。

                        $ bunzip2 arm-2008q3-72-arm-none-linux-gnueabi-i686-pc-linux-gnu.tar.bz2                        $ tar -xvf arm-2008q3-72-arm-none-linux-gnueabi-i686-pc-linux-gnu.tar                        .                        .                        .                        (Files listed while being extracted from the archive.)                        .                        .                        .                        $                        

现在，修改您的 PATH 环境变量以访问工具链的 bin 目录。这样，工具就可以使用了。

配置 Linux 以使用 GNU 工具链

在工具链的下载页面，您还可以找到几个有用的 PDF 文件和一份详细的入门指南，它们归档了所包含的工具。本文仅提供精简的介绍，帮助您设置好并运行工具链。

如果从事的 ARM 编程超出 Intel® 处理器编程，另一种方法是将符号链接添加到您的 /usr/local/bin 目录，它引用工具链 bin 目录中的工具。通过这种方式，您可以使用快捷方式（比如 as）交互地运行 arm-none-linux-gnueabi-as 命令。清单 2 给出了如何设置这些符号链接的示例。

                        # cd /usr/local/bin                        # which arm-none-linux-gnueabi-as                        /home/bzimmerly/Sourcery_G++_Lite/bin/arm-none-linux-gnueabi-as                        # ln -s /home/bzimmerly/Sourcery_G++_Lite/bin/arm-none-linux-gnueabi-as as                        # ls -l as                        lrwxrwxrwx 1 bzimmerly bzimmerly 76 2009-03-13 02:48 as -> /home/bzimmerly                        /Sourcery_G++_Lite/bin/arm-none-linux-gnueabi-as                        # ./as --version                        GNU assembler (Sourcery G++ Lite 2008q1-126) 2.18.50.20080215                        Copyright 2007 Free Software Foundation, Inc.                        This program is free software; you may redistribute it under the terms of                        the GNU General Public License version 3 or later.                        This program has absolutely no warranty.                        This assembler was configured for a target of `arm-none-linux-gnueabi'.                        #                        

使用 which 命令查找该命令的完整路径名，这样方便将其复制粘贴到 ln 命令。然后，使用 ln -s 命令创建符号链接。完成之后，列出符号链接并运行它，核实是否已经成功创建。通过创建引用 GNU 工具链 bin 目录中的所有工具的简单符号链接，您就不需要输入冗长的名字了。当然，每次运行汇编程序时，输入 as 总比输入 arm-none-linux-gnueabi-as 容易！

为 ARM 架构编写程序

有许多关于用流行的 C 语言编写 ARM 程序的指南，但关于用汇编语言编写的指南却很少。在本文，我打算打破传统，用汇编语言编写程序 —— 这通常被认为是编程的 “邪端”。这是一个简单的 “Hello World” 类型的程序，其目标是针对特定的 ARM Linux 版本。

本文描述的示例程序被设计为运行在运行 Android Linux 的 T-Mobile G1 移动电话上。它是用通用的方式编写的，因此也可以运行在其他基于 ARM 的 Linux 平台上（仅进行标准的系统调用）。然而，您至少要使用 2.6.16 版本的 Linux 内核，它允许您使用新的 Embedded Application Binary Interface (EABI) 内核系统调用。

注意：要阅读有关为硬件进行 ARM 编程而不是在 Linux 下进行编程的文章，请查看 参考资料 小节提供的 Embedded.com 文章链接。

使用您最喜欢的编辑器，通过清单 3 中的代码创建一个称为 build 的脚本。这个脚本运行 GNU ARM 汇编程序，其后是一个连接器（linker）。创建这个程序的目的是实现一个非常小的可执行程序，所以我使用连接器开关 --strip-all 去除所有调试信息。创建该脚本之后，发出 chmod +x build 命令让它变成可执行脚本。

                        #!/bin/bash                        echo Building the ARM Linux Hello World...                        arm-none-linux-gnueabi-as -alh -o hw.o hw.S > hw.lst                        arm-none-linux-gnueabi-ld --strip-all -o hw hw.o                        

接下来，创建名为 hw.S 的源模块，并将清单 4 中的代码添加到其中。

                        @filename: hw.S                        .text                        .align 2                        .global _start                        @ ssize_t sys_write(unsigned int fd, const char * buf, size_t count)                        @         r7                 r0      r1                r2                        _start:                        adr     r1, msg         @ Address                        mov     r0, #1          @ STDOUT                        mov     r2, #16         @ Length                        mov     r7, #4          @ sys_write                        svc     0x00000000                        @ int sys_exit(int status)                        @     r7       r0                        mov     r0, #0          @ Return code                        mov     r7, #1          @ sys_exit                        svc     0x00000000                        .align 2                        msg:                        .asciz "Hello Android!\n\n"                        

在 GNU 汇编语言的语法中，“at” 符号 (@) 用于指定行注释。汇编语言忽略 @ 之后的任何内容，直至行末。

这个程序使用两个标准的 Linux 系统调用：sys_write 和 sys_exit。在这两个调用中，以上的汇编语言代码等效于 C 语言的注释形式。这样可以更加容易看到 ARM 寄存器如何恰当地映射到系统调用使用的调用参数。需要记住一个规则，参数是自左至右的，从 r0 到 r6。寄存器 r7 很特别，因为它存储使用的系统调用号码。

svc 0x00000000 指令告诉 ARM 处理器调用 “超级用户”，在本例中是 Linux 内核。

测试 ARM 程序

这个工具链为调试底层程序提供流行的 GDB。当程序的运行目标是带有 JTAT 或 ICE 单元的单板计算机时，您可以使用 Sourcery G++ Lite 调试器 (gdb) 远程调试 ARM 代码。

如果您希望像我一样测试代码 —— 在运行在移动电话上的 Android Linux 系统上 —— 您需要使用配套的 USB 连接线将电话连接到工作站，然后使用 Android 软件开发工具箱的 adb push 命令将该程序转移到移动电话中。在移动电话上，在一个包含可执行代码 (/data/local/bin) 的目录中，通过发出 chmod 555 hw 命令让程序变得可执行。（Android 上的 chmod 命令不使用 +x，所以 555 是必要的）。

最后，使用 adb shell 命令连接到电话，并使用 cd 切换到正确的目录，然后使用 ./hw 运行它。如果一切按计划进行，程序的响应应该和在我手机上的响应一样，会出现问候语 “Hello Android！”。

结束语

如果您对本文的 ARM 汇编编程感兴趣，可以通过 参考资料 小节提供的链接更多地了解这个处理器设计。深入学习 ARM 内核的最好资源是 ARM 开发宝典 ARM ARM，它是 ARM Architecture Reference Manual 的缩略。

从职业方面考虑：目前全球移动电话的数量十分庞大，并且逐年增加。现在，我们仅需在口袋中携带一个存储量为数 GB 的具有双核处理器的微型计算机，就可以完全访问 Internet，获取即时信息或进行娱乐。移动电话供应商对高级程序员存在巨大的需求。对于流行的 ARM，有很多有趣的工作可以做。您通常可以尽情使用这些工具，并从中享受快乐。编程是科学和艺术的结合，并且是一种最能获得乐趣的职业。

参考资料

• 访问 ARM Web 站点。
  
  
• 访问 GNU ARM Web 站点。
  
  
• 从 Embedded.com 查看 “Building Bare-Metal ARM Systems with GNU”。
  
  
• 阅读 Qualcomm's dual-core SoC。
  
  
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关于作者

Bill Zimmerly 是一名知识工程师和专长于不同版本 UNIX® 和 Microsoft® Windows® 软件的底层系统程序员，同时他也是一名崇尚逻辑至上的自由思想者。Bill 还是非理性者。就像萧伯纳名言描述的一样 “理性者改变自己，以适应世界；而非理性者试图改变世界，以让世界适应自己。因此，一切进步都掌握在非理性者手中”。他热衷于创建新技术并撰写相关的文章。他住在 Missouri 的 Hillsboro 郊外，那里空气新鲜、景色怡人，到处都有上等的葡萄酒厂。一边撰写与 UNIX shell 脚本相关的文章，一边品尝水晶杯中的 Stone Hill Blush，这才是至高的享受。