使用跨編譯實現計算環境的異構性

隨著開源軟體的興起及這些解決方案在創建複雜系統中的接受度，開發能夠無縫運行於多種硬體平台的應用程式的能力變得極為重要。不斷需要在一種架構上開發軟體，但又能在其他目標架構上執行這些軟體。達成此目的的一種常見技術是對目標架構進行交叉編譯。

交叉編譯在嵌入式系統中非常重要，這些系統的目的是在像 ARM 和 PowerPC 板這樣的專用硬體上運行應用程式。這些系統資源有限，因此直接編譯並不是一個選項。因此，開發者將利用通用的 x86 架構作為主機，並使用針對目標硬體的工具鏈，生成與目標硬體相容的二進制檔案。

本文涵蓋了一個案例研究，其中對 PowerPC 進行了開源套件的交叉編譯。文章將涵蓋所使用的工具和工具鏈的詳細資訊，以及如何為此架構實現交叉編譯的逐步教程。

T此問題陳述

給定一個具有PowerPC架構的目標板，目的是為這個板添加L3路由能力。為此，考慮了一個流行的開源路由協議套件，FRRouting（FRR）。

FRR 是一套協議組合，使任何 Linux 機器能夠像一個 完整的 路由器一樣運作。它已經為 amd64、arm64、armhf、 和 i386 打包，但 不 支持 PowerPC。 這 需要 FRR 的交叉編譯。

Table 1. 建置和目標平臺之間的差異

The Cross-Compilation Journey

交叉編譯有兩個主要階段：

配置建置環境和預編譯工具鏈

1. 在環境中安裝所需的建置工具。常見的建置工具包括 autoconf、make、cmake、build-essentials、pkg-config、libtool 等。

2. 設置特定於目標主機環境的預編譯工具鏈。CPU/板卡供應商提供其自己的架構特定工具鏈。目標板卡特定的工具鏈是從供應商的產品網站獲得的。

3. 工具鏈附帶一個環境文件，用於設置交叉編譯所需的環境變數，如 CC、GCC、PKG_CONFIG_PATH 等。編輯環境文件 /opt/fsl-qoriq/2.0/environment-setup-ppce5500-fsl-linux，並根據工具鏈目錄的路徑更新變數的路徑。

export SDKTARGETSYSROOT=/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/ppce5500-fsl-linux

export PATH=/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/x86_64-fslsdk-linux/usr/bin:/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/x86_64-fslsdk-linux/usr/bin/../x86_64-fslsdk-linux/bin:/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/x86_64-fslsdk-linux/usr/bin/powerpc-fsl-linux:/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/x86_64-fslsdk-linux/usr/bin/powerpc-fsl-linux-uclibc:/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/x86_64-fslsdk-linux/usr/bin/powerpc-fsl-linux-musl:$PATH

export CCACHE_PATH=/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/x86_64-fslsdk-linux/usr/bin:/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/x86_64-fslsdk-linux/usr/bin/../x86_64-fslsdk-linux/bin:/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/x86_64-fslsdk-linux/usr/bin/powerpc-fsl-linux:/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/x86_64-fslsdk-linux/usr/bin/powerpc-fsl-linux-uclibc:/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/x86_64-fslsdk-linux/usr/bin/powerpc-fsl-linux-musl:$CCACHE_PATH

export PKG_CONFIG_SYSROOT_DIR=$SDKTARGETSYSROOT

export PKG_CONFIG_PATH=$SDKTARGETSYSROOT/usr/lib/pkgconfig

export CONFIG_SITE=/opt/fsl-qoriq/2.0/site-config-ppce5500-fsl-linux

export PYTHONHOME=/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/x86_64-fslsdk-linux/usr unset command_not_found_handle

export CC="powerpc-fsl-linux-gcc -m32 -mhard-float -mcpu=e5500 --sysroot=$SDKTARGETSYSROOT"

export CXX="powerpc-fsl-linux-g++ -m32 -mhard-float -mcpu=e5500 --sysroot=$SDKTARGETSYSROOT"

export CPP="powerpc-fsl-linux-gcc -E -m32 -mhard-float -mcpu=e5500 --sysroot=$SDKTARGETSYSROOT"

export AS="powerpc-fsl-linux-as "

export LD="powerpc-fsl-linux-ld --sysroot=$SDKTARGETSYSROOT"

export GDB=powerpc-fsl-linux-gdb

export STRIP=powerpc-fsl-linux-strip

export RANLIB=powerpc-fsl-linux-ranlib

export OBJCOPY=powerpc-fsl-linux-objcopy

export OBJDUMP=powerpc-fsl-linux-objdump

export AR=powerpc-fsl-linux-ar

export NM=powerpc-fsl-linux-nm

export M4=m4

export TARGET_PREFIX=powerpc-fsl-linux-

export CONFIGURE_FLAGS="--target=powerpc-fsl-linux --host=powerpc-fsl-linux --build=x86_64-linux --with-libtool-sysroot=$SDKTARGETSYSROOT"

export CFLAGS=" -O2 -pipe -g -feliminate-unused-debug-types"

export CXXFLAGS=" -O2 -pipe -g -feliminate-unused-debug-types"

export LDFLAGS="-Wl,-O1 -Wl,--hash-style=gnu -Wl,--as-needed"

export CPPFLAGS=""

export KCFLAGS="--sysroot=$SDKTARGETSYSROOT"

export OECORE_DISTRO_VERSION="2.0"

export OECORE_SDK_VERSION="2.0"

export ARCH=powerpc

export CROSS_COMPILE=powerpc-fsl-linux-

解析預編譯工具鏈中的依賴關係

每個軟體都有其特定的依賴關係（工具/庫），這些依賴關係需要在交叉編譯之前解決。

根據目標架構中這些工具/庫的可用性，有兩個選擇來解決它們。要麼直接從可用的套件安裝它們，或者也從源碼進行交叉編譯。

針對FRR編譯，libpcre2、libyang、clippy、libelf和json-c庫需要從源碼編譯。除此之外，protobuf和libcap庫套件可用於PPC（PowerPC）架構，可以直接安裝到工具鏈中。

1. 從套件安裝庫

針對目標架構可用的庫套件可以通過兩種方式安裝到工具鏈的sysroot中：

1. 第一種方法使用基於 Ubuntu/Debian 的 dpkg-deb 工具來直接安裝 Debian 套件，如下所述： 
   Shell

    

   $ dpkg-deb -x <pkg_name>.deb <toolchain_directory_path>

   ​

   # libcap 的示例： 

   $ wget http://launchpadlibrarian.net/222364908/libcap-dev_2.24-12_powerpc.deb

   $ dpkg-deb -x libcap-dev_2.24-12_powerpc.deb /opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/ppce5500-fsl-linux/

   注意:

   • 下載所有依賴包並按順序安裝。
   • 庫包可能會安裝到不同的目錄結構中。根據工具鏈將這些庫文件複製到正確的目錄。
2. 在第二種方法中，debian/rpm 套件被提取並手動放置到工具鏈目錄路徑，如下所述：
   1. 要提取 debian 套件，請使用 ar 和 tar 工具，如下所示：
      純文本

       

      $ ar -x <package>.deb

      $ tar -xJf data.tar.xz

      注意: 此方法適用於不支持 dpkg-deb 的系統。

   2. 要提取 rpm 套件，請使用 rpm2cpio 工具，命令如下：
      純文本

       

      $ rpm2cpio <package>.rpm | cpio -idmv

   3. 使用 libcap 的包提取和文件放置示例：

      Shell

       

      # 提取 .deb 套件

      $ ar -x libcap-dev_2.24-12_powerpc.deb

      ​

      # 會提取三個文件 (control.tar.gz, data.tar.xz, debian-binary)

      $ ls

      control.tar.gz  data.tar.xz  debian-binary  libcap-dev_2.24-12_powerpc.deb

      ​

      # data.tar.xz 包含程序文件

      # control.tar.gz 包含套件的元數據

      # debian-binary 包含 deb 文件格式的版本

      ​

      # 解壓 data.tar.xz 以提取程序文件。

      $ tar -xJf data.tar.xz

      ​

      # 注意：rpm2cpio <package>.rpm 將直接提取程序文件。

      ​

      # 對所有依賴的 debian 或 rpm 套件在相同路徑下執行相同操作，這將提取所需的所有程序文件和符號鏈接，並保持相同的目錄結構。

      # 提取的文件應該複製到工具鏈目錄中的 /usr 目錄，與已有的文件並排放置。

      ​

      $ cp usr/include/sys/capability.h /opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/ppce5500-fsl-linux/usr/include/sys/

      ​

   4. 要驗證套件/庫是否成功安裝，請運行以下命令：

      Shell

       

      # 確保從工具鏈的環境文件中導出 PKG_CONFIG_PATH 變數

      $ pkg-config --list-all | grep <package_library_name>

      注意: 如果尚未安裝 pkg-config，請安裝它。

2. 交叉編譯庫

庫套件不適用於目標架構，並且是從源碼編譯的。在開始編譯之前，請加載與工具鏈一起打包的環境文件，以設置交叉編譯所需的所有必要參數。

$ source <env_file_path>

請按照庫的README文件中給出的編譯步驟進行。此外，請在構建過程步驟中設置以下參數：

1. 在運行./configure腳本時設置--host參數

   注意：

   • <target_host_parameter>為正在構建該庫/工具的系統。它可以在工具鏈的環境文件中找到。它是在$CC、$LD等中找到的常見前綴。
   • 將有兩種類型的依賴庫。一種僅在編譯過程中需要，另一種是在目標主機上執行時的依賴要求。相應設置--host參數。
2. 在使用 “make install” 來構建依賴庫時，將 DESTDIR 設置為工具鏈的 sysroot 目錄。
   Shell

    

   $ make DESTDIR=<toolchain_directory_path> install

   ​

   範例：

   $ make DESTDIR=/opt/fsl-qoriq/2.0/sysroots/ppce5500-fsl-linux/ install

   ​

結論

系統架構、庫、依賴和工具鏈的差異使跨編譯成為一種複雜的技術。為了簡化複雜性，本文揭示了跨編譯的各個階段。本文以FRR和PowerPC作為所需軟件和目標硬件的示例。然而，本文中涵蓋的步驟提供了在特定硬件上跨編譯任何軟件的合理策略。環境設置、工具鏈和依賴將根據需求而變化。