Linux 上的交叉编译

1. C/C++ 编译的四个步骤

从源代码到可执行文件，通常分为：预处理 → 编译 → 汇编 → 链接。

1.1 预处理（Preprocessing）

处理以#开头的预处理指令，例如展开#include引入的头文件、替换宏、处理条件编译，并去掉注释。

gcc-Emain.c-omain.i

-E表示只进行预处理。C 的预处理结果通常以.i结尾，C++ 通常以.ii结尾。

1.2 编译（Compilation）

对预处理后的代码进行语法、语义检查和优化，生成目标架构的汇编代码。

gcc-Smain.i-omain.s

-S表示执行到生成汇编代码为止。这里的“编译”指四个步骤中的这一步；平时也会用“编译”泛指整个构建过程。

1.3 汇编（Assembly）

把汇编代码转换成机器指令，生成目标文件。

gcc-cmain.s-omain.o

-c表示执行到生成目标文件为止，不进行链接。.o文件通常包含机器代码、符号表、重定位信息等，还不能直接作为程序运行。

1.4 链接（Linking）

把目标文件与其他目标文件、所需库以及启动代码组合起来，解析函数和变量等符号的引用，完成必要的重定位，生成可执行文件。

以test.c和v.c两个源文件为例，先分别生成目标文件，再将它们链接为一个程序：

# 分别生成目标文件（完成预处理、编译和汇编，不进行链接）gcc-ctest.c-otest.o gcc-cv.c-ov.o# 将两个目标文件链接成可执行文件 testgcc test.o v.o-otest# 运行程序（要求架构与当前系统兼容）./test

其中，test.o和v.o是链接的输入，-o test指定生成的可执行文件名。

例如，test.c中使用了在v.c中定义的全局变量或函数，需要在test.c中提供相应声明。分别生成目标文件后，对这些外部符号的引用通常仍待解析；链接器会在v.o中找到对应定义，把两个目标文件组合成完整程序。如果漏掉v.o，且其他输入也没有提供这些定义，通常会报undefined reference（未定义的引用）。

代码中调用printf()等库函数时，链接还需要处理对相应库的引用。动态链接的程序在运行时还需要相应的动态库。

1.5 一条命令完成整个过程

# C 程序gcc main.c-omain# C++ 程序g++ main.cpp-omain# 运行生成的程序（要求架构与当前系统兼容）./main

上面的单条构建命令会完成四个步骤，默认不会保留中间的.i、.s、.o文件。C++ 通常使用g++，它会自动链接常用的 C++ 标准库。

记忆：预处理展开代码，编译生成汇编，汇编生成目标文件，链接生成可执行文件。

2. 交叉编译工具链（以 i.MX6ULL 为例）

2.1 什么是交叉编译

交叉编译是指：在一种平台上编译，生成供另一种平台运行的程序。

例如，在 x86_64 架构的 Linux 电脑上编译代码，生成能在 i.MX6ULL 开发板上运行的 ARM 程序。电脑是开发主机，开发板是目标平台。

i.MX6ULL 是 NXP 的处理器，采用32 位 ARM Cortex-A7 内核。因此，为它编译程序时，需要使用适合目标 ARM 平台的工具链。参考：NXP i.MX6ULL 产品资料

2.2 工具链一般从哪里获取

一般优先使用芯片厂商或开发板厂商随 BSP/SDK 提供、推荐的交叉编译工具链。

• BSP（板级支持包）：包含与开发板相关的启动、内核、驱动及构建配置等内容。
• SDK（软件开发套件）：通常包含交叉编译工具链、目标系统的头文件和库，以及环境配置脚本。

以 i.MX6ULL 为例，先查看 NXP 或所用开发板厂商的配套资料，使用与板上系统版本相匹配的工具链和 SDK。工具链不仅要匹配 CPU 架构，还要考虑 ABI（如浮点调用约定）、C 库及目标系统的库版本；仅看到名称里有arm，还不足以确认兼容。

根据本次提供的百问网开发包目录，实际使用的工具链前缀是arm-buildroot-linux-gnueabihf-，后续示例采用这一前缀。

2.3 为什么叫“工具链”

它是一组配合完成编译、汇编、链接等工作的工具。以当前开发包的arm-buildroot-linux-gnueabihf-前缀为例：

生成的test应复制到匹配的 i.MX6ULL Linux 开发板上运行；在普通 x86_64 主机上通常不能直接运行。

记忆：在电脑上编译，在开发板上运行；工具链优先选厂商配套版本。

3. ELF 文件格式

3.1 什么是 ELF

ELF（Executable and Linkable Format，可执行与可链接格式）是 Linux 平台上广泛使用的二进制文件格式。前面生成的.o目标文件、最终的可执行程序，以及.so共享库，都可以采用 ELF 格式。

ELF 文件不仅保存机器指令和数据，还保存文件头、加载信息、符号表、调试信息等，供链接器、系统加载器和调试器使用。Linux 执行 ELF 程序时，需要根据其中的加载信息建立程序的内存映像。

3.2 ELF 文件结构示意图

下图按课堂照片右侧的内容重绘，保留各层名称和分组：

重点记住：

• 文件头与头表：记录文件基本信息、各部分的位置及加载方式。
• .text：存放机器指令。
• .rodata：存放只读数据，如字符串常量。
• .data与.bss：存放全局变量和静态变量；初值非零的通常放在.data，未显式初始化或初值为零的通常放在.bss。
• 符号与调试信息：.symtab记录函数、变量等符号，图中的.stab保存调试信息。

记忆：ELF 不只是代码和数据，还包含供链接、加载和调试使用的信息。

4. file 和 readelf 命令

4.1 用两种编译器编译同一个 test.c

在 Linux 开发主机上，进入test.c所在目录，分别使用普通gcc和开发板配套的交叉编译器编译同一份源码。以下假设交叉编译工具链的bin已加入PATH。

# 普通 gcc：生成供当前 Linux 主机运行的程序gcc test.c-otest_pc# i.MX6ULL 配套交叉编译器：生成供开发板运行的程序arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc test.c-otest_arm

两个命令使用同一个test.c，分别输出test_pc和test_arm。

4.2 分别使用 file 查看两个文件

成功生成两个文件后，在同一目录执行：

filetest_pcfiletest_arm

file用于识别文件类型。重点比较输出中的位数和目标架构：

两者都是 ELF 文件，LSB表示小端字节序，dynamically linked表示动态链接。

结论：同一个test.c，普通gcc生成 x86-64 程序，交叉编译器生成 ARM 程序；两者面向不同平台，通常不能直接互换运行。

4.3 使用 readelf -h 查看文件头

readelf -h用于查看ELF 文件头，比file提供更详细的信息。分别查看两个文件：

readelf-htest_pc readelf-htest_arm

这里的-h表示查看文件头。也可使用工具链配套的arm-buildroot-linux-gnueabihf-readelf -h test_arm查看 ARM 程序。

test_pc的实际输出：

test_arm的实际输出：

作用：确认程序的位数、目标架构、文件类型和入口等信息，帮助检查是否编译成了目标平台需要的程序。

Entry point address是程序入口，通常对应启动代码，不能直接当作main()的地址。

5. BIN 文件与 ELF 的区别

这里的BIN 指原始二进制镜像（Raw Binary），通常保存程序的机器指令和数据，没有 ELF 文件头、程序头表、节头表等结构信息，常用于裸机程序或固件烧录。

两者都可以包含 CPU 执行的机器指令。BIN 也需要正确加载和启动；把普通 Linux 应用的 ELF 转成 BIN，并不会自动变成能独立运行的裸机程序。GNUobjcopy的原始二进制输出说明可参考 官方文档。

记忆：ELF 带有结构和描述信息，BIN 是按约定使用的原始字节镜像。.bin只是常见扩展名，不能仅凭后缀确定实际格式。

6. 交叉编译工具链中常用的工具

6.1 arm-buildroot-linux-gnueabihf-size 工具

作用：统计目标文件或可执行文件中代码、数据等节的大小，帮助了解程序的空间占用。

arm-buildroot-linux-gnueabihf-size test_arm

实际输出：

大小的单位都是字节。

6.2 arm-buildroot-linux-gnueabihf-nm 工具

作用：查看目标文件或可执行文件的符号表，了解函数、变量的名称、类型和地址等信息。

arm-buildroot-linux-gnueabihf-nm test_arm

可以把符号表理解成程序的**“索引表”，主要记录函数、变量等的名字、位置和类别**，方便链接器、调试器查找。

例如图中的0001040c T main：

• main：函数的名字。
• 0001040c：这个函数在该程序中的地址，用十六进制表示。
• T：表示符号位于代码区。

图中的U puts@GLIBC_2.4表示：程序使用了puts，但它的定义由外部库提供，当前文件中没有定义。

普通符号表通常不影响已链接程序的正常运行。链接完成后，CPU 按机器指令执行，调用函数不需要再查找main等名字。因此，去掉普通符号表（.symtab）通常仍能运行，只是查看函数名、调试和定位问题会更困难。动态链接所需的动态符号表（.dynsym）仍需保留。

6.3 arm-buildroot-linux-gnueabihf-strip 工具

作用：去掉程序中运行时不需要的符号、调试信息等，减小文件体积。

# 查看处理前的文件信息filetest_arm# 使用交叉工具链的 strip，直接修改 test_armarm-buildroot-linux-gnueabihf-strip test_arm# 再次查看文件信息filetest_arm

• 处理前not stripped：尚未剥离普通符号表等信息。
• 处理后stripped：已剥离这些信息，文件通常会变小。

图中处理前后仍是32 位 ARM ELF 可执行文件，动态链接方式也没有改变。去掉的是运行时不需要的辅助信息，通常不影响程序正常运行。

6.4 arm-buildroot-linux-gnueabihf-objdump 工具

作用：反汇编，把程序中的机器码显示成汇编指令，方便查看程序实际执行的指令。

arm-buildroot-linux-gnueabihf-objdump-dtest_arm

-d表示反汇编，查看test_arm中的机器码所对应的汇编指令。

6.5 arm-buildroot-linux-gnueabihf-objcopy 工具

作用：复制、提取或转换目标文件中的内容，例如把 ELF 文件转换成 BIN 文件。

arm-buildroot-linux-gnueabihf-objcopy-Obinary test_arm test_arm.bin

-O binary指定输出为原始二进制格式，test_arm是输入文件，test_arm.bin是生成的文件。格式转换不会让这个 Linux 应用自动变成能独立运行的裸机程序。

为什么转成 BIN 后，仍不能直接脱离 Linux 运行？

因为objcopy只转换文件格式，不改变程序原来的依赖。当前的test_arm是 Linux 动态链接程序，依赖 Linux 的加载器、库和系统服务，转成 BIN 后这些需求仍然存在。

转换有什么意义？

BIN 方便交给按地址写入原始字节的烧录工具或加载程序使用。裸机开发中，程序会事先配好启动代码、链接地址和必要的硬件初始化，先生成 ELF 供调试，再转换成 BIN 供烧录或加载：

按裸机要求编写的程序 → ELF（供链接、调试）→ BIN（供烧录、加载）

因此，本次把 Linux 应用转成 BIN，主要是练习格式转换；它不会因此获得裸机运行能力。能否脱离操作系统，取决于程序怎么编写和构建，而不是文件后缀。