RISC-V Binutils工具链01之编译RISC-V 工具链

RISC-V Binutils工具链01之编译RISC-V 工具链
- 1 编译RISC-V 交叉工具链
  - 1.1 GCC与Binutils的关系
  - 1.2 编译得到RISC-V 工具链
- 2 编译程序

如果不理解软件的编译流程，可能面对一些奇怪编译问题束手无策，所以了解GCC的编译过程以及GCC工具链的使用是嵌入式底层软件工程师必备的技能。

这个系列准备讲述RISC-V Linux GCC 工具链，列举这些工具的常用场景，便于查阅。

文中使用了一些测试用例用来辅助讲解，见github：https://github.com/surez-ok/riscv-elf-link-load.git

测试环境：Ubuntu 22.04 x86

系列文章如下：

1 编译RISC-V 交叉工具链

子曰：“工欲善其事，必先利其器”，所以首先我们要获得RISC-V工具链：

方法1：下载预编译好的工具链（见参考1仓库的[Release](Releases · riscv-collab/riscv-gnu-toolchain)，下载后设置PATH环境变量，即可使用）；

方法2：从源码编译RISC-V的工具链，包括GCC/LLVM与Binutils等工具

这两种方式获取RISC-V工具链都可以，下面讲述源码编译工具链。

源码编译RISC-V工具链：

构建系统：Ubuntu20.04，构建时间：20250702 （riscv-gnu-toolchain 项目在持续发展中，所以不确定文中的编译方式会一直有效，最好的方法是直接查看riscv-gnu-toolchain README）

项目提供两种构建模式：

Newlib工具链（裸机ELF），工具链前缀riscv64-unknown-elf-
Glibc工具链（Linux ELF），工具链前缀riscv64-unknown-linux-gnu-

1.1 GCC与Binutils的关系

GCC（GNU Compiler Collection）和 Binutils（Binary Utilities）是 GNU 工具链中的两个核心组件，它们在编译、链接和构建可执行程序的过程中紧密配合，各自承担不同的职责。

项目	GCC	Binutils
功能	源代码 → 汇编代码 → 目标文件（.o）	处理目标文件、链接、反汇编等
主要组件	编译器（cc1）等	`as`（汇编器）、`ld`（链接器）、`objdump`、`nm`、`readelf`、`strip`、`ar`、`ranlib` 等
作用	编译源代码	汇编、链接、分析、处理目标文件
关系	GCC 依赖 Binutils 提供的汇编器和链接器（GCC需使用Binutils 中的 `as` 和 `ld`）	Binutils 不依赖 GCC， Binutils为 GCC 提供底层工具支持

简单来说：GCC 依赖 Binutils 提供的汇编器和链接器，所以编译GCC时需要先编译Binutils，GCC 是“大脑”，Binutils 是“手脚”。GCC 负责理解源代码，Binutils 负责处理底层的机器码和目标文件格式。

1.2 编译得到RISC-V 工具链

编译RISC-V 工具链的方法如下：

step1：下载代码

$ git clone https://github.com/riscv-collab/riscv-gnu-toolchain.git
$ cd riscv-gnu-toolchain
$ git submodule update --init --recursive

注意：有些模块编译拉取失败，如果不影响的话，可以删掉。例如：拉取dejagnu模块失败：

例如，某次拉取dejagnu模块失败日志如下：

Submodule 'dejagnu' (https://git.savannah.gnu.org/git/dejagnu.git) registered for path 'dejagnu'
Cloning into '/study/riscv-gnu-toolchain/dejagnu'...
fatal: unable to access 'https://git.savannah.gnu.org/git/dejagnu.git/': gnutls_handshake() failed: The TLS connection was non-properly terminated.

dejagnu模块是测试框架，对我们编译工具链没有影响，可以删掉。执行如下命令删掉dejagnu模块，重新执行update即可：

$ git rm dejagnu
$ git submodule update --init --recursive

step2: 安装依赖：

安装编译依赖，以Ubuntu22.04为例，其它平台请参考riscv-gnu-toolchain README

$ sudo apt update
$ sudo apt install -y autoconf automake autotools-dev curl python3 python3-pip python3-tomli libmpc-dev libmpfr-dev libgmp-dev gawk build-essential bison flex texinfo gperf libtool patchutils bc zlib1g-dev libexpat-dev ninja-build git cmake libglib2.0-dev libslirp-dev

step3: 编译Newlib GCC 工具链：

$ ./configure --prefix=$(pwd)/build_newlib
$ make -j$(nproc)

编译multilib newlib gcc（同时支持rv32与rv64）

$ ./configure --prefix=$(pwd)/build_newlib --enable-multilib
$ make -j$(nproc)

step4: 编译Glibc GCC 工具链：

编译Glibc GCC工具链需要make linux

$ ./configure --prefix=$(pwd)/build_glibc
$ make linux -j$(nproc)

编译multilib glibc gcc（同时支持rv32与rv64）

$ ./configure --prefix=$(pwd)/build_glibc --enable-multilib
$ make linux -j$(nproc)

也编译支持自定义的multilib（即不同march mabi 组合）的newlib gcc与glib gcc，细节请参考riscv-gnu-toolchain README

编译RISC-V 工具链的一般步骤：

编译 Binutils（生成 as、ld 等）
编译 GCC（第一阶段，仅编译 C 编译器）
编译C 库（ Newlib或Glibc库）
重新编译 GCC（第二阶段，支持 C++、Fortran 等）

编译结果为：

Newlib 工具链	Glibc 工具链	描述或文章链接
riscv64-unknown-elf-addr2line	riscv64-unknown-linux-gnu-addr2line	RISC-V Binutils工具链13之addr2line工具的使用
riscv64-unknown-elf-ar	riscv64-unknown-linux-gnu-ar	RISC-V Binutils工具链07之ar工具的使用
riscv64-unknown-elf-as	riscv64-unknown-linux-gnu-as	RISC-V Binutils工具链08之as工具的使用
riscv64-unknown-elf-c++filt	riscv64-unknown-linux-gnu-c++filt	RISC-V Binutils工具链14之c++filt工具的使用
riscv64-unknown-elf-elfedit	riscv64-unknown-linux-gnu-elfedit	修改 ELF 文件头部字段的工具，不改变程序内容，仅更新元信息（如架构、OS 类型、文件类型等
riscv64-unknown-elf-g++	riscv64-unknown-linux-gnu-g++	C++编译器
riscv64-unknown-elf-gcc	riscv64-unknown-linux-gnu-gcc	RISC-V Binutils工具链02之gcc工具的使用
riscv64-unknown-elf-gcov	riscv64-unknown-linux-gnu-gcov	代码覆盖率分析工具
riscv64-unknown-elf-gcov-dump	riscv64-unknown-linux-gnu-gcov-dump	分析 `.gcda` 和 `.gcno` 文件的内部结构
riscv64-unknown-elf-gcov-tool	riscv64-unknown-linux-gnu-gcov-tool	`gcov` 工具链中的“覆盖率数据管家”
riscv64-unknown-elf-gdb	riscv64-unknown-linux-gnu-gdb	GDB之常用命令介绍
riscv64-unknown-elf-gdb-add-index	riscv64-unknown-linux-gnu-gdb-add-index	为静态库生成 GDB 调试符号索引，提升调试体验
riscv64-unknown-elf-gprof	riscv64-unknown-linux-gnu-gprof	性能分析工具
riscv64-unknown-elf-gstack	riscv64-unknown-linux-gnu-gstack	bash脚本，用于分析 RISC-V 架构程序的栈回溯（stack backtrace）信息
riscv64-unknown-elf-ld	riscv64-unknown-linux-gnu-ld	RISC-V Binutils工具链04之ld工具的使用
riscv64-unknown-elf-ld.bfd	riscv64-unknown-linux-gnu-ld.bfd	实际的RISC-V 工具链中的链接器
riscv64-unknown-elf-lto-dump	riscv64-unknown-linux-gnu-lto-dump	用于分析和转储 LTO（Link Time Optimization，链接时优化）中间代码的调试工具
riscv64-unknown-elf-nm	riscv64-unknown-linux-gnu-nm	RISC-V Binutils工具链09之nm工具的使用
riscv64-unknown-elf-objcopy	riscv64-unknown-linux-gnu-objcopy	RISC-V Binutils工具链06之objcopy工具的使用
riscv64-unknown-elf-objdump	riscv64-unknown-linux-gnu-objdump	RISC-V Binutils工具链05之objdump工具的使用
riscv64-unknown-elf-ranlib	riscv64-unknown-linux-gnu-ranlib	生成或更新静态库（.a 文件）索引，优化静态库的链接效率，使用`ar -s` 可以调用这个工具
riscv64-unknown-elf-readelf	riscv64-unknown-linux-gnu-readelf	RISC-V Binutils工具链03之readelf工具的使用
riscv64-unknown-elf-run	riscv64-unknown-linux-gnu-run	RISC-V 架构的指令级模拟器
riscv64-unknown-elf-size	riscv64-unknown-linux-gnu-size	RISC-V Binutils工具链10之size工具的使用
riscv64-unknown-elf-strings	riscv64-unknown-linux-gnu-strings	RISC-V Binutils工具链12之strings工具的使用
riscv64-unknown-elf-strip	riscv64-unknown-linux-gnu-strip	RISC-V Binutils工具链11之strip工具的使用
	riscv64-unknown-linux-gnu-gprofng	下一代性能分析工具，是传统 gprof工具的现代化替代品
	riscv64-unknown-linux-gnu-gprofng-archive	与性能分析工具 gprofng配套的归档工具
	riscv64-unknown-linux-gnu-gprofng-collect-app	gprofng性能分析套件的一部分
	riscv64-unknown-linux-gnu-gprofng-display-html	gprofng性能分析套件的可视化工具
	riscv64-unknown-linux-gnu-gprofng-display-src	gprofng性能分析套件的源码级分析工具
	riscv64-unknown-linux-gnu-gprofng-display-text	gprofng性能分析套件的文本报告生成工具

后面将对这些工具链中的大部分进行介绍（见表中链接文章），以Glibc工具链（即前缀为riscv64-unknown-linux-gnu-）为例介绍。

注意：Newlibc工具链（前缀为riscv64-unknown-elf-）也有相同用法，只是库不同，就不再重复介绍了。

step5: 编译QEMU

qemu支持如下目标文件：

用户态模拟（Linux User Mode）

编译目标	生成可执行文件	功能说明
riscv64-linux-user	`qemu-riscv64`	在宿主系统（如x86）上直接运行RISC-V 64位Linux 用户态程序
riscv32-linux-user	`qemu-riscv32`	在宿主系统上直接运行 RISC-V 32位Linux 用户态程序

全系统模拟（System Mode）

编译目标	生成可执行文件	功能说明
riscv64-softmmu	`qemu-system-riscv64`	模拟完整的 RISC-V 64位硬件系统（CPU+外设），可运行Linux/裸机程序
riscv32-softmmu	`qemu-system-riscv32`	模拟完整的 RISC-V 32位硬件系统

以编译rv64用户态以及系统态qemu为例，编译方法如下：

$ cd riscv-gnu-toolchain/qemu
$ mkdir build && cd build
$ ../configure --prefix=$(pwd)/linux_qemu --disable-pa --disable-linux-aio --disable-rbd --disable-vnc --disable-sdl --disable-sdl-image --target-list=riscv64-linux-user,riscv64-softmmu
$ make -j$(nproc)

在build/linux_qemu 路径下可以看到生成的qemu-riscv64与qemu-system-riscv64

2 编译程序

2.1 分步骤编译

编译如下c代码：

/* helloworld.c */
#include <stdio.h>

int main()
{
  printf("hello, world\n");
  return 0;
}

GCC 会依次调用以下工具：

预处理（Preprocessing）
预处理器，处理宏定义、头文件包含等
```
$ riscv64-unknown-linux-gnu-gcc -E helloworld.c -o helloworld.i
```
编译（Compilation）
cc1：GCC 内部编译器前端，将 .c 文件编译为 .s 汇编代码
```
$ riscv64-unknown-linux-gnu-gcc -S -O2 helloworld.i -o helloworld.s
```
汇编（Assembly）
as：将 .s 汇编代码转换为 .o 目标文件（由 Binutils 提供）
```
$ riscv64-unknown-linux-gnu-gcc -c helloworld.s -o helloworld.o
```
链接（Linking）
ld：将多个 .o 文件和库链接为最终的可执行文件（由 Binutils 提供）
```
$ riscv64-unknown-linux-gnu-gcc helloworld.o -o helloworld.elf
```

2.2 一步到位的编译

上面展示的是分布编译，也可以使用下面一条命令完成整个编译，并传入了-march -mabi -O2 -g选项：

# 默认是动态链接的可执行文件
$ riscv64-unknown-linux-gnu-gcc -march=rv64imafdc -mabi=lp64d -O2 -g helloworld.c -o helloworld.elf

# 或者编译静态的可执行文件
$ riscv64-unknown-linux-gnu-gcc -march=rv64imafdc -mabi=lp64d -O2 -static -g helloworld.c -o helloworld_static.elf

2.3 在qemu上测试【可选】

在qemu中运行这个elf[可选]：

# 动态程序需指定 sysroot，目的是避免混用宿主系统（如 x86）的头文件和库
$ qemu-riscv64 -L /path/to/sysroot -cpu rv64,g=true,c=true,v=true ./helloworld.elf
# 静态程序直接运行
$ qemu-riscv64 -cpu rv64,g=true,c=true,v=true ./helloworld_static.elf

后面的文章用到的可执行文件都就是这里生成的ELF。

2.4 使用Makefile自动编译

由上述步骤可以看出，分步骤编译比较繁琐，如果一个大型项目，代码量往往动辄几十万甚至上百万行，包含成百上千个源文件和错综复杂的头文件依赖，通过手工一步步编译，完全不可能，所以我们有了make与Makefile工具，目的就是为了实现编译过程的自动化。

见仓库中的helloworld用例：

$ git clone https://github.com/surez-ok/riscv-elf-link-load.git
$ cd riscv-elf-link-load/test/01_helloworld
$ make

编译得到静态可执行程序：helloworld_static.elf

如果希望编译动态链接的helloworld.elf，需要修改Makefile，将STATIC_FLAGS变量置空，重新make即可。

参考：

posted @ 2026-08-29 16:20 sureZ_ok 阅读(10) 评论(0) 收藏举报

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RISC-V Binutils工具链01之编译RISC-V 工具链

RISC-V Binutils工具链01之编译RISC-V 工具链

1 编译RISC-V 交叉工具链

1.1 GCC与Binutils的关系

1.2 编译得到RISC-V 工具链

2 编译程序

2.1 分步骤编译

2.2 一步到位的编译

2.3 在qemu上测试【可选】

2.4 使用Makefile自动编译

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