Embedded Systeme

Funktionsweise einer Toolchain

Im Buch "Embedded Linux Primer 2nd Edition" von Christopher Hallinan (Erschienen 2011 bei Prentice Hall, 4. Druck im Jahr 2014, ISBN-13: 978-0-137-01783-6) habe ich eine schöne Beschreibung gefunden, die Einsteigern bei der Behebung von Problemen mit Toolchains sehr helfen kann.

Bestandteil jeder Toolchain sollten include-und Bibliotheksdateien sein, die auf die Zielarchitektur zugeschnitten und optimiert sind. Es sind diese Dateien, die dafür sorgen, dass ein Programm auf einer bestimmten Architektur, dem sogenannten Target (Ziel) funktionieren.

Die Software-Entwicklung für Embedded Systeme erfolgt überwiegend auf "normalen" PCs. Ob es sich beim verwendeten Betriebssystem um ein Microsoft Windows, ein Linux oder ein Mac OS X handelt, spielt hierbei keine besondere Rolle: Wichtig ist, dass für die Entwicklungsplattform geeignete Werkzeuge, wie Cross-Toolchain und Entwicklungsumgebung, zur Verfügung stehen. Der Einsatz sogenannter virtueller Maschinen macht Entwickler sogar noch unabhängiger von der Entwicklungs-Architektur. Ein Computer, der für die Softwareentwicklung verwendet wird, wird in der Literatur als Host bezeichnet. Das System, für das die Entwicklung erfolgen soll, wird entsprechend als Target (Ziel) bezeichnet. Im einfachsten Fall sind Host und Target identisch: Dann reicht auch eine einfache Toolchain aus, eine Cross-Toolchain ist in diesem Fall nicht erforderlich.

Ganz anders sieht es im Regelfall bei der Softwareentwicklung für Embedded Systeme aus. Da diese sehr oft eine andere Prozessorarchitektur haben als der Host, wird eine sogenannte Cross-Toolchain benötigt. Dies dürfte Sie aber nicht mehr überraschen. Es stellt sich vielmehr die Frage: Was macht eine Cross-Toolchain anders als eine "normale" Toolchain?

Einfaches Beispiel

Weiter oben wurde bereits erwähnt, dass zu einer Cross-Toolchain include- und Bibliotheksdateien für das Zielsystem mitgeliefert werden (sollten). Diese wurden für das Target erzeugt und optimiert. Aufgrund der unterschiedlichen Architektur der Plattformen, können diese Dateien auf dem Host nicht verwendet werden.

Am einfachen Hello-World-Beispiel hat Hallinan dies erläutert:

#include <stdio.h>

int main (int argc, char **argv)

{

    printf ("Hello World\n");

    return 0;

}

Sicher ist Ihnen bekannt, dass die printf-Funktion nicht Bestandteil der Programmiersprache C ist: Die Kombination aus Compiler und Linker muss sich diese Funktion von einem anderen Ort beschaffen. Kompilieren Sie dieses Beispiel zunächst mit dem Kommando

gcc -v -o hello hello.c

Die Option -v sorgt für eine weitschweifige (verbose, daher auch die Option -v) Ausgabe des Kompilierungs-Vorgangs.

Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/lto-wrapper
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.3' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-4.8/README.Bugs --enable-languages=c,c++,java,go,d,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --program-suffix=-4.8 --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --with-gxx-include-dir=/usr/include/c++/4.8 --libdir=/usr/lib --enable-nls --with-sysroot=/ --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --enable-gnu-unique-object --disable-libmudflap --enable-plugin --with-system-zlib --disable-browser-plugin --enable-java-awt=gtk --enable-gtk-cairo --with-java-home=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-4.8-amd64/jre --enable-java-home --with-jvm-root-dir=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-4.8-amd64 --with-jvm-jar-dir=/usr/lib/jvm-exports/java-1.5.0-gcj-4.8-amd64 --with-arch-directory=amd64 --with-ecj-jar=/usr/share/java/eclipse-ecj.jar --enable-objc-gc --enable-multiarch --disable-werror --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --with-tune=generic --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu
Thread model: posix
gcc version 4.8.4 (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.3)
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-o' 'hello' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/cc1 -quiet -v -imultiarch x86_64-linux-gnu hello.c -quiet -dumpbase hello.c -mtune=generic -march=x86-64 -auxbase hello -version -fstack-protector -Wformat -Wformat-security -o /tmp/cczDNhRG.s
GNU C (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.3) version 4.8.4 (x86_64-linux-gnu)
compiled by GNU C version 4.8.4, GMP version 5.1.3, MPFR version 3.1.2-p3, MPC version 1.0.1
GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
ignoring nonexistent directory "/usr/local/include/x86_64-linux-gnu"
ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/../../../../x86_64-linux-gnu/include"
#include "..." search starts here:
#include <...> search starts here:
/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/include
/usr/local/include
/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/include-fixed
/usr/include/x86_64-linux-gnu
/usr/include
End of search list.

Die durch Fettschrift hervorgehobenen Zeilen zeigen, dass das Target eine x86_64-linux-gnu-Plattform ist und dass der Compiler auf Unterverzeichnisse von /usr zugreift. Im weiteren Verlauf sehen Sie, dass der C-Preprozessor, der dem eigentlichen Kompiliervorgang vorgeschaltet ist, nach den zu dieser Plattform gehörenden include-Dateien sucht. Dies wird eingeleitet durch die Ausgaben

#include "..." search starts here und

#include <...> search starts here.

Direkt im Anschluss erkennen Sie, dass die Suche auf die Verzeichnisse /usr/lib, /usr/local und /usr/include sowie deren Unterverzeichnisse beschränkt wird. Das Ende der Suche wird durch die abschließende Zeile "End of search list." angezeigt. Der Preprozessor sucht demnach ausschließlich in den genannten Verzeichnissen nach den erforderlichen Dateien. Findet er sie dort nicht, so lässt sich das Beispiel nicht kompilieren.

Wenn Sie den gleichen Quelltext nun mit dem Kommando

arm-linux-gnueabihf-gcc -v -o hello hello.c

für den Raspberry Pi kompilieren, so ändert sich die Ausgabe folgendermaßen:

Using built-in specs.
COLLECT_GCC=arm-linux-gnueabihf-gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/opt/toolchain/bin/../libexec/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.3/lto-wrapper
Target: arm-linux-gnueabihf
Configured with: /home/dom/projects/crosstool-ng/install/bin/.build/src/gcc-4.9.3/configure --build=x86_64-build_pc-linux-gnu --host=x86_64-build_pc-linux-gnu --target=arm-linux-gnueabihf --prefix=/home/dom/x-tools6h-new/arm-rpi-linux-gnueabihf --with-sysroot=/home/dom/x-tools6h-new/arm-rpi-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/sysroot --enable-languages=c,c++ --with-arch=armv6 --with-fpu=vfp --with-float=hard --with-pkgversion='crosstool-NG crosstool-ng-1.22.0-88-g8460611' --disable-sjlj-exceptions --enable-__cxa_atexit --disable-libmudflap --enable-libgomp --disable-libssp --enable-libquadmath --enable-libquadmath-support --disable-libsanitizer --with-gmp=/home/dom/projects/crosstool-ng/install/bin/.build/arm-linux-gnueabihf/buildtools --with-mpfr=/home/dom/projects/crosstool-ng/install/bin/.build/arm-linux-gnueabihf/buildtools --with-mpc=/home/dom/projects/crosstool-ng/install/bin/.build/arm-linux-gnueabihf/buildtools --with-isl=/home/dom/projects/crosstool-ng/install/bin/.build/arm-linux-gnueabihf/buildtools --with-cloog=/home/dom/projects/crosstool-ng/install/bin/.build/arm-linux-gnueabihf/buildtools --enable-lto --with-host-libstdcxx='-static-libgcc -Wl,-Bstatic,-lstdc++,-Bdynamic -lm' --enable-threads=posix --enable-target-optspace --with-linker-hash-style=gnu --disable-nls --disable-multilib --with-local-prefix=/home/dom/x-tools6h-new/arm-rpi-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/sysroot --enable-long-long --with-arch=armv6 --with-float=hard --with-fpu=vfp
Thread model: posix
gcc version 4.9.3 (crosstool-NG crosstool-ng-1.22.0-88-g8460611)
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-o' 'hello' '-march=armv6' '-mfloat-abi=hard' '-mfpu=vfp' '-mtls-dialect=gnu'
/opt/toolchain/bin/../libexec/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.3/cc1 -quiet -v -iprefix /opt/toolchain/bin/../lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.3/ -isysroot /opt/toolchain/bin/../arm-linux-gnueabihf/sysroot hello.c -quiet -dumpbase hello.c -march=armv6 -mfloat-abi=hard -mfpu=vfp -mtls-dialect=gnu -auxbase hello -version -o /tmp/cc6k8se9.s
GNU C (crosstool-NG crosstool-ng-1.22.0-88-g8460611) version 4.9.3 (arm-linux-gnueabihf)
compiled by GNU C version 4.8.4, GMP version 6.0.0, MPFR version 3.1.3, MPC version 1.0.3
GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
ignoring duplicate directory "/opt/toolchain/bin/../lib/gcc/../../lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.3/include"
ignoring nonexistent directory "/opt/toolchain/bin/../arm-linux-gnueabihf/sysroot/home/dom/x-tools6h-new/arm-rpi-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/sysroot/include"
ignoring duplicate directory "/opt/toolchain/bin/../lib/gcc/../../lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.3/include-fixed"
ignoring duplicate directory "/opt/toolchain/bin/../lib/gcc/../../lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.3/../../../../arm-linux-gnueabihf/include"
#include "..." search starts here:
#include <...> search starts here:
/opt/toolchain/bin/../lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.3/include
/opt/toolchain/bin/../lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.3/include-fixed
/opt/toolchain/bin/../lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/4.9.3/../../../../arm-linux-gnueabihf/include
/opt/toolchain/bin/../arm-linux-gnueabihf/sysroot/usr/include
End of search list.

Sie sehen, dass als Target nun arm-linux-gnueabihf angegeben wird. An der zweiten und dritten Markierung erkennen Sie darüber hinaus, dass nun auf Verzeichnisse unterhalb von /opt/toolchain zugegriffen wird.

Die Suche nach zielplattformabhängigen Dateien, die der Preprozessor durchführt, beschränkt sich also auf bestimmte Verzeichnisse und deren Inhalte. Vergleichen Sie nun einmal die Größe der Datei libgcc.a innerhalb von /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8.4 mit der Größe der gleichen Datei unterhalb von /opt/toolchain/lib/arm-linux-gnueabihf/4.9.3: Sie werden feststellen, dass sich die beiden Bibliotheken unterscheiden.

Die Konfiguration der Toolchain, die u.a. den Suchbereich des Preprozessors bestimmt, und die Bereitstellung der entsprechenden include- und Bibliotheksdateien sind die Aufgabe der Entwickler der plattformspezifischen (Cross-)Toolchain. Dies alles sorgt dafür, dass auch auf Hosts, deren Architektur sich von der des Targets unterscheidet, Software für das Target entwickelt werden kann.