^ Blog index        >> Jak zbudować firmware

Jak zbudować własny toolchain?

2012-05-04    dr inż. Piotr Romaniuk

Spis treści

Wstęp o kross-kompilacji
Co to jest toolchain?
Budowanie toolchaina
Opcje konfiguracji toolchaina
Jak używać toolchain?
Jak zbudować toolchain w Cygwinie?

Wstęp o kross-kompilacji
Ze względu na ograniczoną moc obliczeniową systemów mikroprocesorowych, na które tworzy się oprogramowanie typu embedded, nie stosuje się kompilacji na docelowej maszynie (target). Zamiast tego wykorzystuje się znacznie szybszy komputer (host) typu PC lub laptop i to na nim przeprowadza się kompilację plików źródłowych do postaci wykonywalnej (nie jest tu przeszkodą fakt, że host i target mogą posiadać procesory o różnej architekturze: host to zazwyczaj x86, a target może pracować przykładowo na ARMie). W tym celu konieczne jest posiadanie tzw. kross-kompilatora, który będzie uruchamiany na hoście a wynikiem jego działania będa pliki wykonywalne z kodami instrukcji procesora docelowej platformy.
W przeważającej liczbie przypadków, oprogramowanie do systemów zintegrowane powstaje w języku C (rzadziej używane jest C++, fragmenty są pisane w asemblerze, niekiedy korzysta się z Java'y). W związku z tym potrzebny jest kross-kompilator C oraz kilka dodatkowych narzędzi (m.in. linker, itp.). Niezbędna będzie też standardowa biblioteka dla C, która zawiera metody alokacji pamięci, dostęp do plików, funkcje wykonujące operacje na ciagach tekstowych, funkcje matematyczne itp. Pomijając gotowe, komercyjne narzędzia tego typu, warto skierować się ku narzędziom GNU (w tym GCC: GNU Compiler Collection). Z wielu zalet tego rozwiazania można wymienić:

• dostępność dla wielu architektur procesorów,
• powszechność wykorzystania (testowane i rozwiajane przez wielu programistów),
• standardowa postać (niezależna od architektury),
• możliwość dalszego wykorzystania do budowania systemu Linux,
• dostępność kodu źródłowego (open source).

Aby dowiedzieć się wiecej na temat budowania toolchaina warto przeczytać początkowe rozdziały: Cross Linux From Scratch. Projekt ten dotyczy budowania całego obrazu systemu, łącznie z kernelem Linuxa, przygotowaniem obrazu plików, bootloadera a także ich instalacją w docelowym systemie. Pierwszym etapem jest zbudowanie toolchaina, za pomocą którego są kompilowane nastepne elementy. Chociaż wszystkie etapy są dobrze opisane, to jest to jednak droga dość uciążliwa, ze względu na brak automatycznych metod (jeśli coś chce się poprawić, trzeba wykonywać następującą sekwencję ponownie ręcznie). Trzeba pamiętać, że celem projektu Cross Linux From Scratch jest przedstawienie metod postępowania, a nie dostarczenie środowiska do budowania.

Budowanie toolchaina
Aby zbudować własny toolchain dobrze jest skorzystać z gotowego środowiska przeznaczonego do budowania tego typu narzędzi, np. crosstool-NG. W takim przypadku zbudowanie toolchaina sprowadza się do ustawienia opcji konfiguracji oraz rozpoczęcia procesu budowania, który będzie wykonywał sie automatycznie. Ze względu na złożoność tworzenia toolchaina może to trochę potrwać (co najmniej kilkadziesiąt minut).
W zależności od używanego systemu operacyjnego, budowanie można wykonać pod Linuxem (zalecane) lub pod Windows z wykorzystaniem Cygwina. Użycie Cygwina pociąga za sobą dodatkowe wymagania, które są opisane poniżej.

Zgodnie z instrukcją przedstawioną na stronie crosstool-NG należy:

I. pobrać wybraną wersję pakietu crosstool-NG ze strony projektu, np. crosstool-ng-1.14.1.tar.bz2
II. rozpakować źródła i przejść do tego katalogu:

tar -xjf crosstool-ng-1.14.1.tar.bz2
cd crosstool-ng-1.14.1

III. skonfigurować pakiet:

./configure --prefix=/jakis/katalog/ctng-bin

gdzie: prefix jest wybraną przez nas ścieżką, która wskazuje gdzie zostanie zbudowane narzędzie crosstool-NG (uwaga, to jeszcze nie toolchain)
  Jeśli podczas konfiguracji pojawi się komunikat o braku jakiegoś pakietu należy go doinstalować i rozpocząć ponownie konfigurowanie (Cygwin wymagał zamknięcia okna swojej konsoli przy instalacji niektórych pakietów).

IV. Zbudować i zainstalować narzędzie crosstool-ng:

make
make install

V. dodać do ścieżki systemowej ścieżkę do crosstool-ng

export PATH="${PATH}:/jakis/katalog/ctng-bin/bin

VI. przejść do katalogu, w którym będzie budowany toolchain i przechowywana konfiguracja toolchaina:

cd /jakis/katalog/development

Po pomyślnym wykonaniu powyższych kroków, crosstool-NG jest gotowe do konfiguracji opcji toolchaina oraz rozpoczęcia jego budowania.
Aby skonfigurować toolchain należy uruchomić:

ct-ng menuconfig

Spowoduje to otwarcie menu konfiguracyjnego:

Za pomocą powyższego interfejsu należy ustawić poszczególne opcje toolchaina i zapisać je przy wyjściu z tego programu (domyślnie są one zapisywane w pliku .config). Po zakończeniu konfiguracji można uruchomić budowanie poprzez polecenie:

ct-ng build

Proces budowania jest długotrwały, w moim przypadku, na Linuxie zajął około 40minut, natomiast na Windows/Cygwin 2h. Jeśli nie zostało to wyłączone w konfiguracji, podczas budowania będą pojawiały się komunikaty o przeprowadzanych operacjach, znacznik postępu w postaci obracającej się belki i wskaźnik czasu, który upłynał od rozpoczęcia. Trzeba pamiętać, że Crosstool-NG samodzielnie ściąga odpowiednie wersje źródeł pakietów, rozpakowuje je, aplikuje patche oraz wykonuje ich kompilację.

Opcje konfiguracji toolchaina
Ze względu na dużą ilość opcji, nie będą tu one wszystkie opisywane, ograniczę się jedynie do najważniejszych:

   C library - rodzaj standardowej biblioteki C ( rozmiar, szybkość działania vs. funkcjonalność )
     - uClibc - ograniczona funkcjonalność, mały rozmiar,
     - glibc - pełna biblioteka GNU C Library - duży rozmiar, pełna funkcjonalność,
     - eglibc - odmiana GNU C Library dla systemów embedded.

Jak używać toolchain?
Po zakończeniu procesu budowania gotowy toolchain znajduje się w katalogu ${HOME}/x-tools/arch-vendor-kernel-system jeśli nie zostało to zmienione w konfiguracji. Aby skorzystać z kross-kompilatora należy dodać go do ścieżki systemowej, np:

Jak zbudować toolchain w Cygwinie?

Podczas budowania crosstool-NG (1.14.1) i samego toolchaina na Cygwinie natrafiłem na następujące problemy:
1. crosstool-NG wymaga systemu plików rozróżniających wielkość liter.

wg.   (1) Cygwin FAQ 4.30: Is Cygwin case-sensitive?
oraz: (2) Using Cygwin, rozdział "Case sensitive filenames"

Uwaga:
trzeba pamiętać, że zmienia to zachowanie całego systemu plików a nie tylko plików pod Cygwinem. Mogłoby się więc zdarzyć, że jakiś program korzysta z niewrażliwości na wielkość liter, co po zmianie w rejestrze nie będzie już zachodzić. W takim przypadku mogłby on zachowywać się dziwnie. W [2] znajduje się ostrzeżenie, że robi się to na własne ryzyko. Ostrzeżenie to wydaje się być troche na wyrost, w swoich Windowsach 7 zmieniłem to trwale, jak na razie, nie dostrzegam żadnych problemów. Niemniej jednak trzeba o tym pamiętać.

2. zbędne elementy w ścieżce systemowej

Po uruchomieniu konsoli Cygwina ścieżka systemowa Windowsów (%PATH%) jest kopiowana do $PATH. Ponieważ może ona wskazywać na inne programy używające innych wersji binarnych narzędzi Cygwina lub MinGW, to będa one wykrywane przez skrypt ./configure. Aby tego uniknąć należy skrócić ścieżkę w Cygwinie. Proponuje najpierw ją podejrzeć a potem skrócić do niezbędnego minimum:

echo $PATH
export PATH=/usr/local/bin:/usr/bin

3. problem z nagłówkami ncurses

Chociaż nagłówki ncurses są właściwie wykrywane przez skrypt konfiguracyjny, to podczas budowania pojawiał się błąd o ich braku.
Dodanie ścieżki w kconfig/Makefile rozwiązało problem:

# Build flags
CFLAGS = -DCONFIG_=\"CT_\" -DPACKAGE="\"crosstool-NG $(VERSION)\"" -I/usr/include/ncurses

4. problem z brakującą biblioteką libintl

Dodanie biblioteki w kconfig/Makefile rozwiązało problem:

# Build flags
...
LDFLAGS = -lintl

5. problem z ESCDELAY

Symbol wydaje sie być niezdefiniowany dla ncurses w Cygwinie [?].
Zakomentowanie w kconfig/nconf.c@1518 pomogło:

notimeout(stdscr, FALSE);
/*ESCDELAY = 1;*/

6. problem z Make w wersji nowszej niż 3.81

W nowszej wersji Make (Cygwin daje możliwość zainstalowania pakietu Make-v.3.82) nastąpiła drobna zmiana interpretacji makefile'i. Skorygowano pewien problem, który poprzednio byc ignorowany (dotyczy to zachowania Make dla mieszanych reguł). Chociaż poprawka jest słuszna, niestety prowadzi to do problemu z budowaniem. Na razie proponuje zainstalować w Cygwinie Make w wersji 3.81 (interfejs GUI setup.exe daje taką możliwość).

7. znacznie dłuższy czas budowania niż na Linuxie

Niestety tu na razie niewiele można poradzić, należy uzbroić się w cierpliwość, w końcu nie codziennie buduje się toolchain ;). Ta własność jest spowodowana zapewne dodatkowym obciażeniem metod open-file oraz fork w Cygwinie w stosunku do tych operacji na Linuxie. Trzeba pamiętać, że Cygwin to pewne "opakowanie" umożliwiające uruchamianie na Windowsach programów "jak gdyby" w środowisku linuxo-podobnym.