二进制文件是否可以跨不同的 CPU 架构移植？

Question

我的目标是能够为嵌入式 Linux 进行开发。我有使用 ARM 的裸机嵌入式系统的经验。

我有一些关于针对不同 cpu 目标进行开发的一般问题。我的问题如下：

1. 如果我有一个应用程序编译为在“ x86 目标，linux 操作系统版本 xyz ”上运行，我可以在另一个系统“ ARM 目标，linux 操作系统版本 xyz ”上运行相同的编译二进制文件吗？

2. 如果上述情况不正确，唯一的方法是使用相关工具链“例如 arm-linux-gnueabi”获取应用程序源代码来重建/重新编译？

3. 同样，如果我有一个可加载的内核模块（设备驱动程序）可以在“ x86 目标，linux 操作系统版本 xyz ”上运行，我是否可以在另一个系统“ ARM 目标，linux 操作系统版本 xyz ”上加载/使用相同的编译 .ko ?

4. 如果以上不正确，唯一的方法是使用相关工具链“例如 arm-linux-gnueabi”获取驱动程序源代码来重建/重新编译？

Answer 1

不可以。必须为目标体系结构（重新）编译二进制文件，而 Linux 没有像开箱即用的胖二进制文件那样提供任何东西。原因是代码被编译为特定架构的机器代码，而大多数处理器系列之间的机器代码非常不同（例如 ARM 和 x86 非常不同）。

编辑：值得注意的是，某些架构提供了向后兼容性级别（甚至更少见，与其他架构的兼容性）；在 64 位 CPU 上，向后兼容 32 位版本是很常见的（但请记住：您的依赖库也必须是 32 位的，包括您的 C 标准库，除非您静态链接）。另外值得一提的是Itanium，它可以运行 x86 代码（仅限 32 位），尽管速度很慢；x86 代码执行速度不佳至少是它在市场上不太成功的部分原因。

请记住，即使在兼容模式下，您仍然不能在较旧的 CPU 上使用使用较新指令编译的二进制文件（例如，您不能在Nehalem x86 处理器上的 32 位二进制文​​件中使用 AVX ；CPU 只是不支持它。

请注意，必须为相关架构编译内核模块；此外，32 位内核模块不能在 64 位内核上工作，反之亦然。

有关交叉编译二进制文件的信息（因此您不必在目标 ARM 设备上安装工具链），请参阅下面的 Grochmal 综合回答。

Answer 2

Elizabeth Myers 是正确的，每个架构都需要针对相关架构的编译二进制文件。要为与系统运行的架构不同的架构构建二进制文件，您需要一个cross-compiler.

在大多数情况下，您需要编译交叉编译器。我只有经验gcc（但我相信llvm和其他编译器具有类似的参数）。甲gcc交叉编译器通过将实现--target到配置：

./configure --build=i686-arch-linux-gnu --target=arm-none-linux-gnueabi

您需要编译gcc，glibc并binutils使用这些参数（并在目标机器上提供内核的内核头文件）。

实际上，这要复杂得多，并且在不同的系统上会出现不同的构建错误。

有几个关于如何编译 GNU 工具链的指南，但我会推荐Linux From Scratch，它不断维护并且在解释所提供的命令的作用方面做得非常好。

另一种选择是交叉编译器的引导编译。由于在不同架构上将交叉编译器编译为不同架构的努力crosstool-ng而产生。它提供了构建交叉编译器所需的工具链的引导程序。

crosstool-ng支持不同架构上的多个目标三元组，基本上它是一个引导程序，人们花时间整理交叉编译器工具链编译过程中发生的问题。

几个发行版提供交叉编译器作为包：

• arch提供开箱即用的mingw 交叉编译器和arm eabi 交叉编译器。除了 AUR 中的其他交叉编译器。

• fedora包含几个打包的交叉编译器。

• ubuntu也提供了一个arm 交叉编译器。

• debian有一个完整的跨工具链存储库

换句话说，检查您的发行版在交叉编译器方面可用的内容。如果您的发行版没有满足您需求的交叉编译器，您可以随时自行编译。

参考：

• ubuntu：ARM 的交叉编译？

内核模块说明

如果您手动编译交叉编译器，则您拥有编译内核模块所需的一切。这是因为您需要内核头文件来编译glibc.

但是，如果您使用的是发行版提供的交叉编译器，则需要在目标机器上运行的内核的内核头文件。

Answer 3

请注意，作为最后的手段（即当您没有源代码时），您可以使用qemu,dosbox或等模拟器在不同的体系结构上运行二进制文件exagear。一些模拟器旨在模拟 Linux 以外的系统（例如dosbox，旨在运行 MS-DOS 程序，并且有大量模拟器可用于流行的游戏机）。仿真具有显着的性能开销：仿真程序的运行速度比原生程序慢 2-10 倍。

如果您需要在非本机 CPU 上运行内核模块，则必须模拟整个操作系统，包括相同架构的内核。AFAIK 在 Linux 内核中运行外部代码是不可能的。

Answer 4

不仅二进制文件不能在 x86 和 ARM 之间移植，还有不同风格的 ARM。

您在实践中可能会遇到的是 ARMv6 与 ARMv7。Raspberry Pi 1 是 ARMv6，以后的版本是 ARMv7。因此，可以在后来在 Pi 1 上不起作用的代码上编译代码。

幸运的是，开源和自由软件的一个好处是拥有源代码，因此您可以在任何架构上重建它。虽然这可能需要一些工作。

（ARM 版本控制令人困惑，但如果数字前有 V，则表示指令集体系结构 (ISA)。如果没有，则是型号，如“Cortex M0”或“ARM926EJS”。型号没有任何意义使用 ISA 号码。）

Answer 5

你总是需要瞄准一个平台。在最简单的情况下，目标 CPU 直接运行二进制编译的代码（这大致对应于 MS DOS 的 COM 可执行文件）。让我们考虑一下我刚刚发明的两个不同的平台——Armistice 和 Intellio。在这两种情况下，我们都会有一个简单的 hello world 程序，它在屏幕上输出 42。我还将假设您以与平台无关的方式使用多平台语言，因此两者的源代码相同：

Print(42)

在 Armistice 上，您有一个简单的设备驱动程序来处理打印数字，因此您所要做的就是输出到端口。在我们的可移植汇编语言中，这将对应于以下内容：

out 1234h, 42

但是，或者Intellio系统没有这样的东西，所以还得经过其他层：

mov a, 10h
mov c, 42
int 13h

哎呀，在我们甚至在使用机器代码之前，我们已经有了两者之间的显着差异！这大致对应于您在 Linux 和 MS DOS 之间或 IBM PC 和 X-Box 之间的差异（即使两者可能使用相同的 CPU）。

但这就是操作系统的用途。让我们假设我们有一个 HAL，它确保所有不同的硬件配置在应用程序层上以相同的方式处理 - 基本上，即使在停战协议上，我们也会使用 Intellio 方法，并且我们的“可移植程序集”代码最终是相同的。这被现代类 Unix 系统和 Windows 使用，通常甚至在嵌入式场景中。很好 - 现在我们可以在 Armistice 和 Intellio 上拥有相同的真正可移植的汇编代码。但是二进制文件呢？

正如我们所假设的，CPU 需要直接执行二进制文件。让我们看看mov a, 10hIntellio 上代码的第一行：

20 10

哦。事实证明，它mov a, constant是如此流行，它有自己的指令，有自己的操作码。停战协议如何处理？

36 01 00 10

唔。有操作码mov.reg.imm，所以我们需要另一个参数来选择我们分配给的寄存器。并且常量总是一个 2 字节的字，采用大端符号——这就是 Armistice 的设计方式，事实上，Armistice 中的所有指令都是 4 个字节长，没有例外。

现在想象在 Armistice 上运行 Intellio 的二进制文件：CPU 开始解码指令，找到 opcode 20h。在停战协议上，这对应于and.imm.reg指令。它尝试读取 2 字节字常量（读取10XX，已经有问题），然后是寄存器编号（另一个XX）。我们正在使用错误的参数执行错误的指令。更糟糕的是，下一条指令将完全是假的，因为我们实际上吃了另一条指令，认为它是数据。

应用程序没有机会工作，它很可能会立即崩溃或挂起。

现在，这并不意味着可执行文件总是需要说它在 Intellio 或 Armistice 上运行。您只需要定义一个独立于 CPU（例如bash在 Unix 上）或 CPU 和操作系统（例如 Java 或 .NET，现在甚至是 JavaScript 之类）的平台。在这种情况下，应用程序可以为所有不同的 CPU 和操作系统使用一个可执行文件，而目标系统上有一些应用程序或服务（直接针对正确的 CPU 和/或操作系统）将独立于平台的代码转换为CPU实际上可以执行。这可能会也可能不会对性能、成本或能力造成影响。

CPU 通常以系列形式出现。例如，x86 系列的所有 CPU 都有一组以完全相同方式编码的通用指令，因此每个 x86 CPU 都可以运行每个 x86 程序，只要它不尝试使用任何扩展（例如，浮点运算或向量运算）。在 x86 上，今天最常见的例子当然是 Intel 和 AMD。Atmel 是一家著名的设计 ARM 系列 CPU 的公司，在嵌入式设备中非常流行。例如，Apple 也有自己的 ARM CPU。

但是 ARM 与 x86 完全不兼容——它们有非常不同的设计要求，并且几乎没有共同点。这些指令具有完全不同的操作码，它们以不同的方式解码，内存地址的处理方式不同......通过使用一些安全操作，可以制作在 x86 CPU 和 ARM CPU 上运行的二进制文件区分两者并跳转到两个完全不同的指令集，但这仍然意味着您对两个版本都有单独的指令，只有一个引导程序在运行时选择正确的指令集。