興味を持ったアーキテクチャの機械語を眺めるための、最低限のクロスコンパイラの作り方を説明します。全部入りbinutilsも紹介します。
※ 実用的な開発は目的としていません。指定するオプションも最小限に抑えています。
熱血！アセンブラ入門の最初に登場するPowerPCを例に説明しますが、gccでサポートされているアーキテクチャであれば同じ方法が使えます。
※ 同書よりも新しいgccを扱うため、いくつか新しいアーキテクチャが使えます。差分は最後の方にまとめています。
ビルド対象
- binutils: アセンブラ、逆アセンブラ、リンカなど
- gcc: コンパイラ
準備
gccが使える環境が必要です。
WindowsではMSYS2を使う前提で説明します。
- @7shi: MSYS2でRicty Diminishedを使う設定など - Qiita 2015.1.29
依存ライブラリ
gcc-4.3以降は次のライブラリに依存しています。
使用しているパッケージ管理システムなどからインストールしてください。
MSYS2での例を示します。
$ pacman -S mpc-devel
※ mpc-develだけインストールすれば他も依存関係で入ります。
自分でビルドするときは次のようにすれば良いでしょう。
$ export CPPFLAGS=-I/opt/cross/include LDFLAGS=-L/opt/cross/lib
$ ./configure --prefix=/opt/cross
ビルド
ビルド手順を示します。速いマシンだと10分程度で終わります。
ダウンロード
binutilsは執筆時の最新版、gccは4.6.4を使います。
$ wget http://ftp.gnu.org/gnu/binutils/binutils-2.25.tar.bz2
$ wget http://ftp.gnu.org/gnu/gcc/gcc-4.6.4/gcc-core-4.6.4.tar.bz2
gcc-4.6を使っているのは以下の理由によります。
- gcc-4.5以前は新しいmakeinfoでエラーが出る
- gcc-4.7以降は配布物が全部入りとなり巨大
展開
適当なディレクトリでソースを展開します。
$ tar xvf binutils-2.25.tar.bz2
$ tar xvf gcc-core-4.6.4.tar.bz2
パッチ (MSYS2)
MSYS2では環境を認識するように修正が必要です。
$ cp /usr/share/automake-1.15/config.* gcc-4.6.4
※ この手の修正は新しい環境では良くあることなので、知っていれば役立つかもしれません。
ビルドディレクトリ
ビルドはソースの外で行うのが流儀です。ビルド用のディレクトリを作成します。ディレクトリ名は任意ですが、ここではgccで指定するターゲット名に合わせます。
※ 先ほどのコマンドに続けて入力することを想定しています。以降も同様です。
$ mkdir powerpc-elf
$ cd powerpc-elf
- powerpc: CPU名
- elf: バイナリ形式（ELFファイル）
binutils
ビルドディレクトリを作って入り、相対パスでconfigureを呼びます。
$ mkdir binutils
$ cd binutils
$ ../../binutils-2.25/configure --prefix=/opt/cross --target=powerpc-elf
configureのオプションは次の通りです。
-
--prefix: インストール先 -
--target: 対象とするアーキテクチャ
ビルドします。-j2の2はCPUのコア数に合わせて調整すると（例：4コアなら-j4）、ビルド時間が短縮できます。
$ make -j2
ビルドが完了したらインストールします。
$ sudo make install
※ MSYS2ではsudoは不要です。
ディレクトリを抜けます。
$ cd ..
エラー対策
MSYS2でmake中に次のようなエラーで止まることがあります。
39 [main] make 7628 child_info_fork::abort:（略）: Loaded to different address: parent(0x440000) != child(0x630000)
make: fork: Resource temporarily unavailable
その場合は次の方法で対処してください。
- MSYS2のターミナルをすべて閉じます。
- MSYS2がインストールされたディレクトリにある
autorebase.batを実行します。 - コマンドプロンプトのウィンドウが出て、数分後に自動的に閉じます。文字は何も表示されません。
- MSYS2のターミナルを開いて先ほどのディレクトリに移動して、もう一度makeを試してください。
次の情報を参考にしました。
gcc
binutilsと同様の手順ですが、makeのターゲットに-gccが付いているのに注意してください。
※ これを付けないとライブラリがビルドされてエラーになります。
$ mkdir gcc
$ cd gcc
$ ../../gcc-4.6.4/configure --prefix=/opt/cross --target=powerpc-elf
$ make -j2 all-gcc
$ sudo make install-gcc
※ MSYS2ではsudoは不要です。
ビルド時間
参考としてbinutilsとgccのビルドにどれくらい時間が掛かるかを示します。
| OS | CPU | クロック | ジョブ | 時間 | ウィルス対策 |
|---|---|---|---|---|---|
| Windows 8.1 (MSYS) | Athlon 64 X2 4600+ | 2.40GHz | -j2 | 57m14.069s | Windows Defender |
| Windows 8.1 (MSYS2) | Athlon 64 X2 4600+ | 2.40GHz | -j2 | 27m13.587s | （オフ） |
| Windows 8.1 (MSYS2) | Athlon 64 X2 4600+ | 2.40GHz | -j2 | 30m08.217s | Windows Defender |
| Windows 8.1 (MSYS2) | Celeron N2830 | 2.16GHz | -j2 | 38m26.803s | Windows Defender |
| Windows 7 (MSYS2) | Core i5-3320M | 2.60GHz | -j2 | 15m37.006s | （オフ） |
| Windows 7 (MSYS2) | Core i5-3320M | 2.60GHz | -j4 | 12m32.296s | （オフ） |
| Windows 7 (MSYS2) | Core i5-3320M | 2.60GHz | -j4 | 21m37.818s | Virus Buster |
- 同じマシンでも無印MSYSよりMSYS2が高速
- HTの効果は約1.25倍
- ウィルス対策はかなり足を引っ張る
使用方法
ビルドしたPowerPC用クロスコンパイラを使ってみます。
パス
標準でパスの通っていない /opt/cross にインストールしたため、使用前にパスを通します。
$ export PATH="/opt/cross/bin:$PATH"
毎回やると面倒なので ~/.bashrc などに記載しておくと良いでしょう。
テスト
どんなコードが生成されるのかテストします。
※ ビルドディレクトリから出て、適当なディレクトリを作ってそこで作業してください。
int add(int a, int b) {
return a + b;
}
コンパイルします。
-
-nostdlib: Cのライブラリ（libc）などをリンクしません。存在しないため指定しないとエラーとなります。 -
-g: 逆アセンブル時にC言語の該当箇所を表示するためデバッグ情報を有効化します。 -
-O: 最適化します。出力される機械語を単純にするために利用しています。外したものと対比してみると良いでしょう。
$ powerpc-elf-gcc -nostdlib -g -O add.c
/opt/cross/lib/gcc/powerpc-elf/4.6.4/../../../../powerpc-elf/bin/ld: 警告: エントリシンボル _start が見つかりません。デフォルトとして 0000000001800054 を使用します
※ 警告は無視します。
出力されたバイナリ（a.out）を逆アセンブルして、どんな機械語が出力されているかを確認します。
-
-S: C言語のソースと対比しながら逆アセンブルします。対象は-g付きでコンパイルされている必要があります。
$ powerpc-elf-objdump -S a.out
a.out: ファイル形式 elf32-powerpc
セクション .text の逆アセンブル:
01800054 <add>:
int add(int a, int b) {
return a + b;
}
1800054: 7c 63 22 14 add r3,r3,r4
1800058: 4e 80 00 20 blr
引数がr3とr4で渡されて、戻り値はr3で返される様子が読み取れます。
他のアーキテクチャ
targetを変えれば色々なアーキテクチャがビルドできます。
どんなアーキテクチャがあるかは次の記事を参考にしてください。
- @7shi: gcc-4.6.1の対応アーキテクチャ - 七誌の開発日記（旧） 2011.7.22
IA-64
リンクを分けないとエラーになります。
$ ia64-elf-gcc -nostdlib add.c
/tmp/ccYFwywB.s: Assembler messages:
/tmp/ccYFwywB.s:14: Warning: Explicit stops are ignored in auto mode
/opt/cross/lib/gcc/ia64-elf/4.6.4/../../../../ia64-elf/bin/ld: so が見つかりません: No such file or directory
collect2: ld はステータス 1 で終了しました
$ ia64-elf-gcc -c add.c
$ ia64-elf-ld add.o
ia64-elf-ld: 警告: エントリシンボル _start が見つかりません。デフォルトとして 40000000000000b0 を使用します
SH64
リンクを分けるとエラーになります。
$ sh64-elf-gcc -nostdlib add.c
/opt/cross/lib/gcc/sh64-elf/4.6.4/../../../../sh64-elf/bin/ld: 警告: エントリシンボル start が見つかりません。デフォルトとして 0000000000001000 を使用します
$ sh64-elf-gcc -c add.c
$ sh64-elf-ld add.o
sh64-elf-ld: sh5 アーキテクチャ (入力ファイル`add.o') は sh 出力と互換性がありません
sh64-elf-ld: 警告: エントリシンボル start が見つかりません。デフォルトとして 0000000000001000 を使用します
sh64-elf-ld: 最終リンクに失敗しました: 不正な値です
オプションを指定する必要があります。
$ sh64-elf-gcc -c add.c
$ sh64-elf-ld -mshelf32 add.o
sh64-elf-ld: 警告: エントリシンボル start が見つかりません。デフォルトとして 0000000000001000 を使用します
テストスクリプト
参考までにコンパイル・リンク・逆アセンブルを一発でやるスクリプトの例を示します。
※ 前述の理由でSH64には使えません。
#!/usr/bin/env bash
arch=$1
tmp=`mktemp`
shift
$arch-gcc -o $tmp -c -O -g -fomit-frame-pointer $@ &&
$arch-ld $tmp &&
$arch-objdump -S a.out
rm -f $tmp
$ testgcc ia64-elf add.c
全部入りbinutils
binutilsは全部入りにできます。これさえあれば様々なCPUのバイナリを逆アセンブルできます。
いくつか注意点があります。
- gccは全部入りにできません。個別に指定してビルドするしかありません。
- アセンブラがうまく機能しないため、ほぼ逆アセンブラ専用となります。gccとセットでビルドするbinutilsにはアセンブラが不可欠なため、全部入りがあっても依然としてbinutilsのビルドは必要です。
パッチ (MSYS2)
MSYS2ではこのパッチが必要です。
$ wget https://raw.githubusercontent.com/Alexpux/MSYS2-packages/1ec8aa42e0892f04400039ea1e5ede51ffc4d35e/binutils/binutils-trunk-msys2.patch
$ patch -p1 -d binutils-2.25 < binutils-trunk-msys2.patch
ビルド
$ mkdir all
$ cd all
$ ../binutils-2.25/configure --prefix=/opt/cross --enable-targets=all --enable-64-bit-bfd --program-prefix=all-
$ make -j2
$ sudo make install
※ MSYS2ではsudoは不要です。
使い方
コマンドにall-の接頭辞を付けます。
$ all-objdump -S a.out
自動ビルドスクリプト
参考として自動化したスクリプトを置いておきます。あくまで参考のため無保証です。
MSYS2用パッケージ
pacmanからインストールできるパッケージを用意しました。
熱血！アセンブラ入門のサンプル
次のサイトで公開されています。
- 熱血！アセンブラ入門 サポートページ → アセンブラ出力環境
Makefileから不要なアーキテクチャをコメントアウトして、PREFIXを修正すればとりあえず使えます。
パッチ
ここで紹介している方法で作った全アーキテクチャに対応するパッチです。
差分は次の通りです。
- 除去: m6811-elf, strongarm-elf, xscale-elf
- 追加: bfin-elf, m32c-elf, microblaze-elf, moxie-elf, rx-elf, score-elf, sparc64-elf, spu-elf
具体的には次を参照してください。
ARC
64ビット環境ではarc-elfがエラーになるため、コメントアウトした方が良いでしょう。
---- compile (arc-elf.c => arc-elf.s)
/usr/bin/arc-elf-gcc \
-fno-builtin -nostdinc -nostdlib -static -O -Wall -g \
-fverbose-asm -fomit-frame-pointer -o arc-elf.s -S arc-elf.c
arc-elf.c: 関数 ‘return_short_upper’ 内:
arc-elf.c:49:1: エラー: 認識できない命令:
(insn 5 4 6 3 (set (reg:HI 68 [ <retval> ])
(const_int -18 [0xffffffffffffffee])) arc-elf.c:48 -1
(nil))
arc-elf.c:49:1: コンパイラ内部エラー: extract_insn 内、位置 recog.c:2109
Please submit a full bug report,
with preprocessed source if appropriate.
See <http://gcc.gnu.org/bugs.html> for instructions.
gcc内の中間言語RTLのLISP風表記が見えています。