Compilers play an essential role in software development, transforming human-readable source code into machine-executable code. 

This article explores the concept of compilers, differentiates them from interpreters, and provides practical examples using GCC, focusing on C/C++ development, with mentions of ARM toolchains for cross-compilation.

What is a Compiler?

A compiler is a program that translates source code written in a high-level programming language into machine code, assembly language, or an intermediate code form. This translation process allows a program to be executed on a computer’s processor. Compilers perform several tasks during translation, including lexical analysis, parsing, semantic analysis, optimization, and code generation.

Types of Compilers

Native Compiler

A native compiler generates code for the same architecture as the one on which it is running. For example, compiling a program on an x86 machine to run on another x86 machine. This type of compiler directly translates source code into machine code suitable for execution on the host system.

Cross Compiler

A cross-compiler produces executable code for a different architecture than the one on which it is running. This is particularly useful in embedded systems development where code is written and compiled on a more powerful host machine but needs to run on a target device with a different architecture, like ARM.

Compilers vs. Interpreters

While compilers translate the entire source code into machine code before execution, interpreters execute the source code line-by-line, translating each line into machine code on the fly. The key differences include:

• Compilation vs. Interpretation: Compilers generate an executable file that runs independently, whereas interpreters run the source code directly.
• Performance: Compiled programs generally run faster since they are fully translated before execution, while interpreted programs can be slower due to the line-by-line translation during runtime.
• Error Handling: Compilers catch many errors during the compilation phase, whereas interpreters may encounter errors during runtime.

Focus on GCC (GNU Compiler Collection)

GCC is a widely-used compiler system that supports various programming languages, including C and C++. It is known for its flexibility, performance, and extensive support for different architectures.

Installing GCC

To install GCC, you can use the package manager for your operating system. For example, on a Debian-based system:

sudo apt update
sudo apt install gcc

Compiling C Programs with GCC

To compile a simple C program using GCC, you would use the following command:

gcc -o hello hello.c

This command compiles hello.c and creates an executable named hello. You can then run the program with:

./hello

Compiling C++ Programs with GCC

To compile a C++ program, use the g++ command:

g++ -o hello hello.cpp

This works similarly to the C compiler, creating an executable from the source file.

Cross Compilation with GCC and ARM Toolchains

Cross-compilation is crucial for developing applications for architectures different from the host system. For example, compiling a program on an x86 system to run on an ARM device.

Installing ARM Toolchain

You can install the ARM cross-compiler toolchain using your package manager. For instance, on a Debian-based system:

sudo apt update
sudo apt install gcc-arm-none-eabi

Cross-Compiling a C Program

To cross-compile a C program for an ARM target, you would use the ARM GCC compiler:

arm-none-eabi-gcc -o hello_arm hello.c

This command creates an executable for an ARM-based target. You can then transfer this executable to your ARM device and run it there.

Cross-Compiling for ARM and Running on ARM Target

1. Compile on the host (x86) machine: arm-none-eabi-gcc -o myapp_arm myapp.c
2. Transfer the executable to the ARM target (e.g., using scp): scp myapp_arm user@arm_target:/path/to/destination
3. Run on the ARM target: ./myapp_arm

Other Compilers

While GCC is highly popular, there are other compilers available for C/C++ development:

• Clang/LLVM: Known for its modular design and excellent diagnostic messages.
• MSVC: The Microsoft Visual C++ compiler, widely used in Windows development environments.
• Intel C++ Compiler (ICC): Optimized for Intel processors, offering advanced performance features.

Moving forward, we will see how compilers are used in other posts, including those in which the compiler is not visibile, e.g. when we use a build system or build tool, the compiler is called by that tool and is sort of abstracted out.