arm歷史和交叉編譯鏈選擇介紹

arm的歷史

ARM的設(shè)計是艾康計算機公司于1983年開始的開發(fā)項目。

這個團隊由Roger Wilson和Steve Furber帶領(lǐng)，著手開發(fā)一種類似高級6502架構(gòu)的處理器。Acorn計算機有一大堆建構(gòu)在6502處理器上的計算機，因此能設(shè)計出一顆類似的芯片即意味著對公司有很大的優(yōu)勢。

Acorn RISC Machine：ARM2

用在BBC Micro上的ARM1 second processor

團隊在1985年時開發(fā)出樣本“ARM1”，而首顆真正能量產(chǎn)的“ARM2”于次年投產(chǎn)。ARM2具有32位的數(shù)據(jù)總線、26位的定址空間，并提供64 Mbyte的定址范圍與16個32-bit的寄存器。寄存器中有一個作為程序計數(shù)器，其前面6位和后面2位用來保存處理器狀態(tài)標記。ARM2可能是全世界最簡單實用的32位微處理器，僅容納了30,000個晶體管（六年后的摩托羅拉68000包含了70,000顆）。之所以精簡的原因在于它不含微碼（這大概占了68000的晶體管數(shù)約1/4至1/3）；而且與當時大多數(shù)的處理器相同，它沒有包含任何的高速緩存。這個精簡的特色使它只需消耗很少的電能，卻能發(fā)揮比Intel 80286更好的性能[10]。后繼的處理器“ARM3”則備有4KB的高速緩存，使它能發(fā)揮更佳的性能。

Apple、DEC、Intel、Marvell：ARM6、StrongARM、XScale[編輯]

在1980年代晚期，蘋果計算機開始與艾康計算機合作開發(fā)新版的ARM核心。由于這項目非常重要，艾康計算機甚至于1990年將設(shè)計團隊另組成一間名為安謀國際科技（Advanced RISC Machines Ltd.）的新公司。也基于這原因，使得ARM有時候反而稱作Advanced RISC Machine而不是Acorn RISC Machine。由于其母公司ARM Holdings plc于1998年在倫敦證券交易所和NASDAQ掛牌上市[11]，使得Advanced RISC Machines成了ARM Ltd旗下?lián)碛械?a target="_blank">產(chǎn)品[12]。

這個項目到后來進入“ARM6”，首版的樣品在1991年發(fā)布，然后蘋果計算機使用ARM6架構(gòu)的ARM 610來當作他們Apple Newton產(chǎn)品的處理器。在1994年，艾康計算機使用ARM 610做為他們個人計算機產(chǎn)品的處理器。

在這些變革之后，內(nèi)核部分卻大多維持一樣的大小——ARM2有30,000顆晶體管，但ARM6卻也只增長到35,000顆。主要概念是以O(shè)DM的方式，使ARM核心能搭配一些選配的零件而制成一顆完整的CPU，而且可在現(xiàn)有的晶圓廠里制作并以低成本的方式達到很大的性能。

ARM的經(jīng)營模式在于出售其IP核，授權(quán)廠家依照設(shè)計制作出建構(gòu)于此核的微控制器和中央處理器。最成功的實現(xiàn)案例屬ARM7TDMI，幾乎賣出了數(shù)億套內(nèi)置微控制器的設(shè)備。

Digital曾購買這個架構(gòu)的產(chǎn)權(quán)并研發(fā)出“StrongARM”。在233 MHz的頻率下，這顆CPU只消耗1瓦特的電能（后來的芯片消耗得更少）。這項設(shè)計后來為了和英特爾的控訴和解而技術(shù)移轉(zhuǎn)，英特爾因而利用StrongARM架構(gòu)補強他們老舊的i960產(chǎn)品。英特爾后來開發(fā)出他們自有的高性能架構(gòu)產(chǎn)品XScale，之后賣給了邁威爾科技。

支持智能手機、個人數(shù)碼助理和其他手持設(shè)備最常見的架構(gòu)是“ARMv4”。XScale和ARM926處理器是“ARMv5TE”，而且比起建構(gòu)在ARMv4的StrongARM、ARM925T和ARM7TDMI等處理器還更常見于許多高端設(shè)備上[來源請求]。

內(nèi)核種類

ARMv1?ARM1

ARMv2?ARM2、ARM3

ARMv3 ARM6、ARM7

ARMv4?StrongARM、ARM7TDMI、ARM9TDMI

ARMv5?ARM7EJ、ARM9E、ARM10E、XScale

ARMv6?ARM11、ARM Cortex-M

ARMv7?ARM Cortex-A、ARM Cortex-M、ARM Cortex-R

ARMv8(A) Cortex-A35、Cortex-A50系列[13]、Cortex-A72、Cortex-A73、Cortex-A75、Cortex-A76

架構(gòu)

從1995年開始，《ARM體系結(jié)構(gòu)參考手冊》是ARM文檔的主要來源，提供了關(guān)于ARM處理器架構(gòu)和指令集，區(qū)分接口，所有的ARM處理器的支持（如指令語義）的實現(xiàn)細節(jié)可能會有所不同。該體系結(jié)構(gòu)隨著時間的演變，并與Cortex系列的核心開始，存在三個“配置”的定義如下：

"應(yīng)用"配置: Cortex-A 系列

"嵌入式"配置: Cortex-R 系列

"微處理器"配置:?ARM Cortex-M?系列。

每個配置允許有其子集的架構(gòu)。

CPU模式

CPU ARM架構(gòu)指定了以下的CPU模式。在任何時刻，CPU只可處于某一種模式，但可由于外部事件（中斷）或編程方式進行模式切換。

用戶模式僅非特權(quán)模式。

系統(tǒng)模式僅無需例外進入的特權(quán)模式。僅以執(zhí)行明確寫入CPSR的模式位的指令進入。Supervisor (svc) 模式在CPU被重置或者SWI指令被執(zhí)行時進入的特權(quán)模式。

Abort 模式預(yù)讀取中斷或數(shù)據(jù)中斷異常發(fā)生時進入的特權(quán)模式。

未定義模式未定義指令異常發(fā)生時進入的特權(quán)模式。

干預(yù)模式處理器接受一條IRQ干預(yù)時進入的特權(quán)模式。

快速干預(yù)模式處理器接受一條IRQ干預(yù)時進入的特權(quán)模式。

Hyp 模式armv-7a為cortex-A15處理器提供硬件虛擬化引進的管理模式。

最新的armv8A arm64 與aarch64

在找交叉編譯鏈過程中被這三個困惑好久，在選擇之前一定要先搞明白這三者的關(guān)系

ARM在2007年已著手設(shè)計工作，并于2011年11月公報ARMv8A 64bit指令集架構(gòu)，耗用了4年的研發(fā)時間。

ARMv8A分為A64及A32兩個部分，A64顧名思義屬于64bit的部份，主要存在于AARCH64的狀態(tài)。而A32又稱AARCH32狀態(tài)，用作支持現(xiàn)有A32 ARM指令集。ARM并沒有采用AMD x86-64及Intel EM64T擴充32bit指令做法，而是選擇全新開發(fā)專用的64bit指令。據(jù)ARM方面表示，這一做法與省電的考慮有關(guān)，當運行64bit ISA時，ARMv7電路可處于閑置狀態(tài)，節(jié)省功耗。同A64 ISA也移除了作用不大的LDM/STM(load/store multiple)指令，改為LD/ST ’P’指令，以降低復(fù)雜性及功耗，與此同時，32bit到64bit狀態(tài)轉(zhuǎn)換采用Inter-processing的做法，確保32bit到64bit指令皆可順利執(zhí)行。

armv8A架構(gòu)又細分為armv8.2a、armv8.3a、armv8.4a、armv8.5a。

在今年的Computex上arm公布了2018年的Cortex-A旗艦CPU，Cortex-A76. 這個CPU的微構(gòu)架做了徹底的重新設(shè)計，它重點提高了峰值性能，同時良好地保持了性能功耗比。Cortex－A76將arm CPU的性能推上了一個新高度。Cortex-A76還是armv8.2-a構(gòu)架實現(xiàn)，與現(xiàn)有的處理兼容，還是使用DSU技術(shù)，到時微構(gòu)架的重新設(shè)計使得它比Cortex-A75平均有35%的性能提升，且有40%的能耗比提升。對浮點數(shù)和機器學(xué)習(xí)運算任務(wù)提升最大。麒麟980用的性能核心就是公版Cortex-A76.

Cortex-A76是第一個開始逐漸去除32bit支持的CPU。A76還是支持aarch32，但是只是在最低特權(quán)級的EL0支持，而aarch64在EL0-EL3都支持-從OS到底層的固件。在將來某個時候，arm非常有可能完全只支持64 bit，這取決于arm生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

arm授權(quán)方式

ARM公司本身并不靠自有的設(shè)計來制造或出售CPU，而是將處理器架構(gòu)授權(quán)給有興趣的廠家。ARM提供了多樣的授權(quán)條款，包括售價與散播性等項目。對于授權(quán)方來說，ARM提供了ARM內(nèi)核的集成硬件敘述，包含完整的軟件開發(fā)工具（編譯器、debugger、SDK），以及針對內(nèi)含ARM CPU硅芯片的銷售權(quán)。對于無晶圓廠的授權(quán)方來說，其希望能將ARM內(nèi)核集成到他們自行研發(fā)的芯片設(shè)計中，通常就僅針對獲取一份生產(chǎn)就緒的智財核心技術(shù)（IP Core）認證。

許多半導(dǎo)體公司持有ARM授權(quán)：Atmel、Broadcom、Cirrus Logic、Freescale（于2004從摩托羅拉公司獨立出來）、富士通、英特爾（借由和Digital的控訴調(diào)停）、IBM、NVIDIA、臺灣新唐科技（Nuvoton Technology）、英飛凌、任天堂、恩智浦半導(dǎo)體（于2006年從飛利浦獨立出來）、OKI電氣工業(yè)、三星電子、Sharp、STMicroelectronics、德州儀器和VLSI等許多這些公司均擁有各個不同形式的ARM授權(quán)。雖然ARM的授權(quán)項目由保密合約所涵蓋，在知識產(chǎn)權(quán)工業(yè)，ARM是廣為人知最昂貴的CPU內(nèi)核之一。單一的客戶產(chǎn)品包含一個基本的ARM內(nèi)核可能就需索取一次高達美金20萬的授權(quán)費用。而若是牽涉到大量架構(gòu)上修改，則費用就可能超過千萬美元。

交叉編譯鏈選擇

以上都是廢話，重點關(guān)注armv8a即可。armv8a分為aarch32與aarch64兩種模式。因此在選擇交叉編譯鏈時一定要確定自己運行的arm設(shè)備是什么架構(gòu)，什么模式。

從授權(quán)上，交叉編譯鏈分為免費授權(quán)版和付費授權(quán)版。

免費版目前有三大主流工具商提供，第一是GNU（提供源碼，自行編譯制作），第二是 Codesourcery，第三是Linora。

收費版有ARM原廠提供的armcc、IAR提供的編譯器等等，因為這些價格都比較昂貴，不適合學(xué)習(xí)用戶使用，所以不做講述。

arm-none-linux-gnueabi-gcc：是 Codesourcery 公司（目前已經(jīng)被Mentor收購）基于GCC推出的的ARM交叉編譯工具?？捎糜诮徊婢幾gARM（32位）系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)的代碼，包括裸機程序、u-boot、Linux kernel、filesystem和App應(yīng)用程序。

arm-linux-gnueabihf-gcc：是由 Linaro 公司基于GCC推出的的ARM交叉編譯工具?？捎糜诮徊婢幾gARM（32位）系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)的代碼，包括裸機程序、u-boot、Linux kernel、filesystem和App應(yīng)用程序。

aarch64-linux-gnu-gcc：是由 Linaro 公司基于GCC推出的的ARM交叉編譯工具。可用于交叉編譯ARMv8 64位目標中的裸機程序、u-boot、Linux kernel、filesystem和App應(yīng)用程序。

arm-none-elf-gcc：是 Codesourcery 公司（目前已經(jīng)被Mentor收購）基于GCC推出的的ARM交叉編譯工具?？捎糜诮徊婢幾gARM MCU（32位）芯片，如ARM7、ARM9、Cortex-M/R芯片程序。

arm-none-eabi-gcc：是 GNU 推出的的ARM交叉編譯工具?？捎糜诮徊婢幾gARM MCU（32位）芯片，如ARM7、ARM9、Cortex-M/R芯片程序。

命名規(guī)則

交叉編譯工具鏈的命名規(guī)則為：arch [-vendor] [-os] [-(gnu)eabi]

arch – 體系架構(gòu)，如ARM，MIPS（通過交叉編譯工具生成的可執(zhí)行文件或系統(tǒng)鏡像的運行平臺或環(huán)境）

vendor – 工具鏈提供商

os – 目標操作系統(tǒng)（host主要操作平臺，也就是編譯時的系統(tǒng)）

eabi – 嵌入式應(yīng)用二進制接口（Embedded Application Binary Interface）

根據(jù)對操作系統(tǒng)的支持與否，ARM GCC可分為支持和不支持操作系統(tǒng)，如

arm-none-eabi：這個是沒有操作系統(tǒng)的，自然不可能支持那些跟操作系統(tǒng)關(guān)系密切的函數(shù)，比如fork(2)。他使用的是newlib這個專用于嵌入式系統(tǒng)的C庫。

arm-none-linux-eabi：用于Linux的，使用Glibc

linaro交叉編譯鏈簡介

以下面的鏈接為例，分析下各個文件的作用。http://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/5.5-2017.10/aarch64-linux-gnu/。該目錄下面列出了一些列的交叉編譯工具：

gcc-linaro-5.5.0-2017.10-i686-mingw32_aarch64-linux-gnu.tar.xz27-Feb-2018 00:17234.0Mopen

運行在32位x86windows主機的aarch64支持linux系統(tǒng)的交叉編譯鏈。

gcc-linaro-5.5.0-2017.10-i686_aarch64-linux-gnu.tar.xz27-Feb-2018 00:1789.0Mopen

運行在32位x86linux主機的aarch64位支持linux系統(tǒng)的交叉編譯鏈。

gcc-linaro-5.5.0-2017.10-x86_64_aarch64-linux-gnu.tar.xz27-Feb-2018 00:1789.9Mopen

運行在64位linux主機的aarch64位支持linux系統(tǒng)的交叉編譯鏈。這個正是我要找的交叉編譯鏈。

runtime-gcc-linaro-5.5.0-2017.10-aarch64-linux-gnu.tar.xz28-Jan-2018 17:326.2Mopen

runtime-gcc-linaro-5.5.0-2017.10-aarch64-linux-gnu.tar.xz.asc28-Jan-2018 17:3292open

sysroot-glibc-linaro-2.21-2017.10-aarch64-linux-gnu.tar.xz27-Feb-2018 00:1833.6Mopen

sysroot-glibc-linaro-2.21-2017.10-aarch64-linux-gnu.tar.xz.asc

這個runtime以及sysroot-glibc暫時不確定是做什么用的。

再補充點交叉編譯鏈的東西：

實例

1、arm-none-eabi-gcc

（ARM architecture，no vendor，not target an operating system，complies with the ARM EABI）

用于編譯 ARM 架構(gòu)的裸機系統(tǒng)（包括 ARM Linux 的 boot、kernel，不適用編譯 Linux 應(yīng)用 Application），一般適合 ARM7、Cortex-M 和 Cortex-R 內(nèi)核的芯片使用，所以不支持那些跟操作系統(tǒng)關(guān)系密切的函數(shù)，比如fork(2)，他使用的是 newlib 這個專用于嵌入式系統(tǒng)的C庫。

2、arm-none-linux-gnueabi-gcc

(ARM architecture, no vendor, creates binaries that run on the Linux operating system, and uses the GNU EABI)

主要用于基于ARM架構(gòu)的Linux系統(tǒng)，可用于編譯 ARM 架構(gòu)的 u-boot、Linux內(nèi)核、linux應(yīng)用等。arm-none-linux-gnueabi基于GCC，使用Glibc庫，經(jīng)過 Codesourcery 公司優(yōu)化過推出的編譯器。arm-none-linux-gnueabi-xxx 交叉編譯工具的浮點運算非常優(yōu)秀。一般ARM9、ARM11、Cortex-A 內(nèi)核，帶有 Linux 操作系統(tǒng)的會用到。

3、arm-eabi-gcc

Android ARM 編譯器。

4、armcc

ARM 公司推出的編譯工具，功能和 arm-none-eabi 類似，可以編譯裸機程序（u-boot、kernel），但是不能編譯 Linux 應(yīng)用程序。armcc一般和ARM開發(fā)工具一起，Keil MDK、ADS、RVDS和DS-5中的編譯器都是armcc，所以 armcc 編譯器都是收費的（愛國版除外，呵呵~~）。

5、arm-none-uclinuxeabi-gcc 和 arm-none-symbianelf-gcc

arm-none-uclinuxeabi 用于uCLinux，使用Glibc。

arm-none-symbianelf 用于symbian，沒用過，不知道C庫是什么 。

Codesourcery

Codesourcery推出的產(chǎn)品叫Sourcery G++ Lite Edition，其中基于command-line的編譯器是免費的，在官網(wǎng)上可以下載，而其中包含的IDE和debug 工具是收費的，當然也有30天試用版本的。

目前CodeSourcery已經(jīng)由明導(dǎo)國際(Mentor Graphics)收購，所以原本的網(wǎng)站風(fēng)格已經(jīng)全部變?yōu)?Mentor 樣式，但是 Sourcery G++ Lite Edition 同樣可以注冊后免費下載。

Codesourcery一直是在做ARM目標 GCC 的開發(fā)和優(yōu)化，它的ARM GCC在目前在市場上非常優(yōu)秀，很多 patch 可能還沒被gcc接受，所以還是應(yīng)該直接用它的（而且他提供Windows下[mingw交叉編譯的]和Linux下的二進制版本，比較方便；如果不是很有時間和興趣，不建議下載 src 源碼包自己編譯，很麻煩，Codesourcery給的shell腳本很多時候根本沒辦法直接用，得自行提取關(guān)鍵的部分手工執(zhí)行，又費精力又費時間，如果想知道細節(jié)，其實不用自己編譯一遍，看看他是用什么步驟構(gòu)建的即可，如果你對交叉編譯器感興趣的話。

ABI 和 EABI

ABI：二進制應(yīng)用程序接口(Application Binary Interface (ABI) for the ARM Architecture)。在計算機中，應(yīng)用二進制接口描述了應(yīng)用程序（或者其他類型）和操作系統(tǒng)之間或其他應(yīng)用程序的低級接口。

EABI：嵌入式ABI。嵌入式應(yīng)用二進制接口指定了文件格式、數(shù)據(jù)類型、寄存器使用、堆積組織優(yōu)化和在一個嵌入式軟件中的參數(shù)的標準約定。開發(fā)者使用自己的匯編語言也可以使用 EABI 作為與兼容的編譯器生成的匯編語言的接口。

兩者主要區(qū)別是，ABI是計算機上的，EABI是嵌入式平臺上（如ARM，MIPS等）。

arm-linux-gnueabi-gcc 和 arm-linux-gnueabihf-gcc

兩個交叉編譯器分別適用于 armel 和 armhf 兩個不同的架構(gòu)，armel 和 armhf 這兩種架構(gòu)在對待浮點運算采取了不同的策略（有 fpu 的 arm 才能支持這兩種浮點運算策略）。

其實這兩個交叉編譯器只不過是 gcc 的選項 -mfloat-abi 的默認值不同。gcc 的選項 -mfloat-abi 有三種值 soft、softfp、hard（其中后兩者都要求 arm 里有 fpu 浮點運算單元，soft 與后兩者是兼容的，但 softfp 和 hard 兩種模式互不兼容）：

soft： 不用fpu進行浮點計算，即使有fpu浮點運算單元也不用，而是使用軟件模式。

softfp： armel架構(gòu)（對應(yīng)的編譯器為 arm-linux-gnueabi-gcc ）采用的默認值，用fpu計算，但是傳參數(shù)用普通寄存器傳，這樣中斷的時候，只需要保存普通寄存器，中斷負荷小，但是參數(shù)需要轉(zhuǎn)換成浮點的再計算。

hard： armhf架構(gòu)（對應(yīng)的編譯器 arm-linux-gnueabihf-gcc ）采用的默認值，用fpu計算，傳參數(shù)也用fpu中的浮點寄存器傳，省去了轉(zhuǎn)換，性能最好，但是中斷負荷高。

把以下測試使用的C文件內(nèi)容保存成 mfloat.c：

#include
int main(void)
{
double a,b,c;
a = 23.543;
b = 323.234;
c = b/a;
printf(“the 13/2 = %f\n”, c);
printf(“hello world !\n”);
return 0;
}

1、使用 arm-linux-gnueabihf-gcc 編譯，使用“-v”選項以獲取更詳細的信息：

arm-linux-gnueabihf-gcc -v mfloat.c
COLLECT_GCC_OPTIONS=’-v’ ‘-march=armv7-a’ ‘-mfloat-abi=hard’ ‘-mfpu=vfpv3-d16′ ‘-mthumb’ -mfloat-abi=hard

可看出使用hard硬件浮點模式。

2、使用 arm-linux-gnueabi-gcc 編譯：

arm-linux-gnueabi-gcc -v mfloat.c
COLLECT_GCC_OPTIONS=’-v’ ‘-march=armv7-a’ ‘-mfloat-abi=softfp’ ‘-mfpu=vfpv3-d16′ ‘-mthumb’ -mfloat-abi=softfp

可看出使用softfp模式。
編輯：hfy