[筆記] 漫談 ARM cross compiler 環境

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        在 Windows 環境下，如果要開發軟體，我們只需安裝微軟的 Visual Studio IDE，接著在這 IDE 編譯我們的程式就能在 x86 的環境下運行。由於 Visual Studio 編譯器是專為 x86/x64 晶片設計的，實際上它編譯出來的機器碼並不能放到 ARM 晶片上執行，所以我們需要找其他編譯器編譯出 ARM 能看得懂的機器碼。

機器碼

        目前可編譯 ARM 晶片的編譯器以 GCC 為主，當然有些付費版的 IDE 也能編譯 ARM，如：KEIL、IAR (有專人管理的編譯器)，  不過都還是源自 ARM compiler 網站，從網站上取得編譯器的原始碼，經過編譯後產生一套能編譯 ARM 晶片的編譯器 (說的有點複雜 !!)。簡單說，最終目的是製造出一個 ARM 編譯工具，但是要先取得原料後，再自行製造出這個工具。所幸現在網上有不少開發環境都能提供這 ARM 編譯的工具了，不需要我們重頭開始打造工具。然而，這類工具大多在 Linux 的環境下，所以想編譯成 ARM 機器碼只能到 Linux 環境下？

        在 Windows 環境下，如果也想要 Linux 的環境，需要在 Win 系統安裝類 Unix 環境的軟體，如：cygwin、MSYS2、MinGW...等。底下以 MSYS2 軟體為例，其實它就是一個在 Win 系統的命令列，但是和 Win 系統提供的有何不同呢？請看圖一和圖二的環境變數，兩者環境變數完全不一樣，MSYS2 就是模擬一個 Linux 環境的命令列，操作指令也是 Linux 指令，但實際上指令已經轉為 Win 系統能執行了。有了這類 Linux 環境當然是對熟悉 Win 系統的人操作起來比較便利。
圖一：Windows的命令列


圖二：MSYS2的命令列

Unix-like環境

        在 MSYS2 環境，我們要先安裝 ARM 相關的編譯工具，從 MSYS2 官網下載安裝 package ，安裝這幾個套件 arm-none-eabi-gcc、arm-none-eabi-newlib、arm-none-eabi-binutils... (執行指令 pacman -S xxx)，我們就能用這套編譯工具編譯成 ARM 機器碼，如下圖三所示。既然安裝 ARM 交叉編譯工具可以直接從官網安裝，何需再學習自行打造 ARM 編譯器呢？現實情況，每個 ARM 編譯器工具的版本會搭配相對應的 library，也會修正一些 bugs，當我們使用一套穩定的編譯器版本開發韌體時，如果沒特別理由的話，我們不希望一直更新編譯工具的版本，因為改動編譯器版本有可能變動到機器碼或結構，萬一造成晶片與這機器碼不相容，那開發過程會很麻煩，因此我們通常會把穩定的 ARM 編譯器保存下來，當做建議版本。
圖三：arm-gcc 版本 (10.1.0)

PlatformIO插件

        除了上述類 Unix 的編譯環境之外，Visual Studio Code (VS Code) 內有一插件 PlatformIO 可提供超過八百種板子的交叉編譯環境，因此不再是命令列式的操作環境。舉例來說，在 PIO 插件選了 STM32F103 的板子，STM32 是基於 ARM-M3 的晶片，如圖四，它便會自動下載安裝 ARM tool-chain，之後我們也能在 VS Code 環境下編譯 ARM 的程式碼。
圖四：VS Code 的 PlatformIO 環境


        當 PIO 插件安裝與 STM32 板子相關的套件後，我們可以觀察它把 toolchain 安裝到哪裡，在圖五所示，PIO 安裝兩套不同版本的 arm-gcc，一個 7.2.1，一個 9.2.1，這就是前面所提到的穩定版本。如果在 PIO 開啟以 Arduino framework 為基礎的 STM32 project，那麼在編譯過程就會用 arm-gcc 9.2.1 版本 。如果在 PIO 開啟以 ARM CMSIS 為基礎的 STM32 project，那麼在編譯過程就會用 arm-gcc 7.2.1 版本 。因此，無論在 Windows 或 Linux 系統下，想要編譯 ARM 程式必須先安裝好編譯工具，而這套工具可以運行在 Windows 或 Linux 下，才能編譯出 ARM 的機器碼。
圖五：PIO 安裝的 arm-gcc

位置： 807台灣高雄市三民區

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