La compilación cruzada para las arquitecturas de los brazos en diferentes versiones, como ARMV5, ARMV6, ARMV7 y ARMV8, presenta una gama de desafíos relacionados con la compatibilidad de la cadena de herramientas, las diferencias establecidas de instrucciones, las características arquitectónicas y las variaciones de entorno de tiempo de ejecución. Estos desafíos deben abordarse cuidadosamente para garantizar que los binarios producidos funcionen de manera correcta y eficiente en el hardware objetivo.
Diferencias arquitectónicas y compatibilidad con el conjunto de instrucciones
Cada versión de arquitectura ARM presenta cambios y mejoras significativas sobre sus predecesores. ARMV5, ARMV6, ARMV7 y ARMV8 difieren en los conjuntos de instrucciones que admiten (por ejemplo, brazo, pulgar, pulgar-2), extensiones de instrucciones disponibles, modos de direccionamiento y características del procesador, como unidades de punto flotante y SIMD (neón).
- ARMV5 admite principalmente los conjuntos de instrucciones del brazo y el pulgar. Carece de algunos de los conjuntos de instrucciones y extensiones más recientes que se encuentran en versiones de brazo posteriores como ARMV7 y ARMV8. A menudo también carece de soporte de punto flotante de hardware, confiando en la emulación de punto flotante de software o VFP básico.
- ARMV6 introdujo mejoras que incluyen instrucciones SIMD mejoradas y soporte para las extensiones multimedia específicas de ARMV6, pero aún tiene limitaciones en comparación con ARMV7.
- ARMV7 agregó el conjunto de instrucciones Thumb-2 y las funciones SIMD mejoradas (neón). Admite un punto flotante de hardware de manera más amplia (VFPV3) y agrega mejoras a nivel de arquitectura, como las extensiones de seguridad de confianza.
-ARMV8 se mueve a una arquitectura de 64 bits (AARCH64) junto con mantener el soporte para ARMV7 de 32 bits (AARCH32), presenta nuevos conjuntos de registros, extensiones de criptografía y cambia significativamente los supuestos de software a nivel de sistema. ARMV8 también admite características de virtualización más avanzadas, SIMD mejorado y aceleración criptográfica.
Compatilización cruzada significa que la cadena de herramientas debe generar binarios compatibles con estas características arquitectónicas; De lo contrario, los binarios pueden fallar en tiempo de ejecución o nunca ejecutar. Las diferencias en los conjuntos de instrucciones implican una selección cuidadosa de los indicadores del compilador y el soporte de ensamblador para apuntar al subconjunto ISA correcto para cada versión del brazo.
Desafíos de cadena de herramientas y compiladores
Las cadenas de herramientas de compilación cruzada (GCC, CLANG, etc.) deben configurarse correctamente con tripletes de destino correctos y banderas de arquitectura (por ejemplo, -march = ARMV7-A, -march = ARMV8-A). Los desafíos surgen en la obtención o la construcción de cadenas de herramientas que admiten versiones variables de brazo porque:
- Las arquitecturas de brazo más antiguas como ARMV5 pueden requerir cadenas de herramientas más antiguas o personalizadas especializadas, ya que las versiones modernas de GCC y Clang se centran en ARMV7 y V8+. Algunas distribuciones o repositorios no proporcionan cadenas de herramientas actualizadas para ARMV5.
- Construir un compilador nativo para ARMV5 (que compila un compilador para ejecutar en el hardware ARMV5) puede ser complejo, lo que requiere "cruz canadiense" o compilaciones de múltiples etapas. Los componentes de la cadena de herramientas como binutils y libc deben coincidir con la arquitectura de destino.
- Los problemas de vinculación pueden ocurrir si las bibliotecas (por ejemplo, las bibliotecas estándar C como GLIBC, UCLIBC o MUSL) no se compilan para la arquitectura de la cadena de herramientas o la ABI (interfaz binaria de aplicación) dirigida, causando fallas en el tiempo de ejecución.
-Las cadenas de herramientas deben ser conscientes de la disponibilidad de unidades de punto flotante (FPU) en las CPU del brazo objetivo y seleccionar el punto flotante apropiado ABI (-mfloat-abi = Soft, SoftFP, duro). El uso de la configuración incorrecta conduce a bloqueos de tiempo de ejecución o un comportamiento de punto flotante incorrecto.
Compatibilidad de ABI y Biblioteca
Las arquitecturas de los brazos a menudo difieren en las convenciones de ABI, especialmente entre 32 y 64 bits (ARMV8). Consideraciones importantes incluyen:
- ARMV5, V6 y V7 son de 32 bits y generalmente siguen el brazo Eabi (abi incrustado) o oabi (abi viejo en algunos casos).
- El modo AARCH64 de 64 bits de ARMV8 utiliza una convención ABI y llamadas de ABI y llamadas completamente diferentes.
- La compilación cruzada debe coincidir con el ABI y las bibliotecas correctas para estos ABI; Por ejemplo, el vinculación contra bibliotecas construidas para el ABI o la arquitectura incorrecto causa problemas de compatibilidad.
-La presencia o ausencia de soporte de punto flotante de hardware afecta si usar variantes ABI flotantes o flotantes de flotación blanda.
La vinculación estática y dinámica debe ser consistente con las versiones de la biblioteca del entorno de destino y los diseños de ruta para evitar símbolos faltantes o fallas de segmentación en tiempo de ejecución.
Crear Sistema y problemas de configuración
La configuración de sistemas complejos de compilación como CMake o AutoTools para la compilación cruzada a estas diversas versiones de ARM requiere una configuración cuidadosa de archivos de cadena de herramientas y variables ambientales. Los desafíos comunes son:
- Establecer el compilador, ensamblador, enlazador y herramientas correctos en el sistema de compilación.
- Asegurar rutas adecuadas del sistema de raíz y sysroot para encontrar archivos de encabezado y bibliotecas para la arquitectura de destino.
- La administración de rutas o compiladores de código fuente específicos de arquitectura define cuándo la base de código admite varias versiones ARM.
- Resolver desajustes y problemas de ruta que conducen a errores incorrectos de vinculación o invocación de herramientas.
La configuración errónea puede conducir a fallas de construcción silenciosas, errores de tiempo de ejecución, como excepciones de instrucciones ilegales o detección de características incorrectas (por ejemplo, soporte de punto flotante asumido erróneamente).
Prueba de emulación y tiempo de ejecución
Probar los binarios compilados en hardware real es ideal, pero a menudo no es posible de inmediato. Las configuraciones de emulación o hardware en bucle se usan con frecuencia, pero vienen con desafíos:
- Los emuladores (por ejemplo, QEMU) pueden no emular perfectamente todas las características o periféricos de las CPU ARMV5-V8, que afectan las pruebas realistas.
- Las diferencias de rendimiento y sincronización en la emulación pueden oscurecer los problemas que solo se ven en hardware real.
- Las herramientas de depuración y la compatibilidad de los símbolos deben garantizarse en los entornos host y objetivo.
problemas específicos de compilación cruzada por versión de brazo
- ARMV5:
- Soporte de cadena de herramientas moderna limitada; Puede necesitar compiladores más antiguos o específicamente parchados.
- Falta de nuevas optimizaciones de instrucciones.
- Se necesita soporte de punto flotante de software en muchas plataformas de hardware.
- Dificultades de construcción de cadenas de herramientas ARMV5 nativas o complejas complejas de etapas múltiples.
- ARMV6:
- Soporte intermedio con algunas extensiones multimedia.
- Soporte de neón y SIMD todavía limitado.
- Debe elegir cuidadosamente las opciones del compilador para evitar el uso inseguro de instrucciones no respaldadas.
- ARMV7:
- Más ampliamente compatible y dirigido por modernas cadenas de herramientas.
- Los problemas pueden surgir con el conjunto de instrucciones Thumb-2 y el mejor uso de Neon SIMD para el rendimiento.
- Las extensiones de seguridad (Trustzone) pueden necesitar soporte específico de compiladores y enlazadores para la utilización completa.
- Las desajustes de ABI de punto flotante son trampas comunes.
- ARMV8:
- La transición al modo de 64 bits crea diferencias ABI y del núcleo.
- Puede requerir cadenas de herramientas separadas para compilaciones AARCH32 vs AARCH64, incluso en el mismo hardware.
- Características de CPU más avanzadas (criptográfica, virtualización) que necesitan banderas de compiladores explícitos.
- Compatir un software grande como el motor V8 puede colgar o fallar debido a las sutiles incompatibilidades de enlazador o biblioteca.
- Requiere un enlace cuidadoso con las bibliotecas estándar correctas y el tiempo de ejecución (por ejemplo, libc ++) para evitar el problema de la inicialización.
Resumen de desafíos
La compilación cruzada a Armv5, V6, V7 y V8 enfrenta numerosos desafíos, incluidas la disponibilidad y la compatibilidad de la cadena de herramientas, las diferencias de establecimiento de instrucciones arquitectónicas que requieren banderas de compiladores específicos, variables ABI y convenciones de punto flotante, configuraciones de sistema complejas y dificultades de las pruebas de tiempo de ejecución en hardware o emuladores. Desde garantizar compiladores correctas de compiladores de varias etapas para el hardware ARMV5 anterior, eligiendo conjuntos de instrucciones e instrucciones de punto flotante correctos, hasta navegar las complejidades de transición de 64 bits en ARMV8, cada versión de ARM presenta obstáculos técnicos específicos para una compilación transversal exitosa.
Estos desafíos requieren una amplia experiencia en detalles de la arquitectura ARM, la configuración de la cadena de herramientas y las metodologías de prueba para producir binarios confiables y performadores en este espectro de versión ARM.