Chương 5. Môi trường phát triển và chương trình đầu tiên

Mục tiêu

Cài trình biên dịch C++ cho PC (host) và biết vai trò của toolchain chéo (cross) cho MCU.
Biên dịch bằng dòng lệnh và bằng CMake.
Kiểm tra được chuẩn C++ và trình biên dịch đang dùng.

Câu chuyện: hai máy, hai trình biên dịch

Firmware được biên dịch trên PC nhưng chạy trên MCU. Vì vậy bạn dùng hai loại toolchain:

Loại	Ví dụ	Dùng để
Host (native)	`g++`, `clang++`, MSVC	Chạy ví dụ và unit test ngay trên PC
Cross	`arm-none-eabi-g++`, `avr-g++`, `riscv-none-elf-g++`	Tạo file `.elf` cho chip

Chiến lược xuyên suốt sách: viết logic độc lập phần cứng, chạy và test trên host; chỉ lớp mỏng chạm thanh ghi mới cần chip thật.

Kiến thức

Cài trình biên dịch host

Hệ điều hành	Cách cài
Windows	MSYS2 (https://www.msys2.org) rồi trong shell MinGW-w64: `pacman -S --needed mingw-w64-x86_64-toolchain mingw-w64-x86_64-cmake mingw-w64-x86_64-gdb`
Ubuntu/Debian	`sudo apt install build-essential cmake gdb`
macOS	`xcode-select --install` hoặc `brew install gcc cmake`

Kiểm tra:

g++ --version
cmake --version

Toolchain chéo cho MCU

ARM Cortex-M: gói Arm GNU Toolchain (arm-none-eabi-*), có cho Windows/Linux/macOS trên trang của Arm.
AVR: avr-gcc (kèm Arduino IDE hoặc apt install gcc-avr).
RISC-V: riscv-none-elf-gcc từ xPack hoặc nhà sản xuất chip.
Nhiều hãng cung cấp IDE đóng gói sẵn (STM32CubeIDE, ESP-IDF, PlatformIO); phần dưới của sách dùng dòng lệnh + CMake để bạn hiểu điều IDE đang làm.

Cờ biên dịch nên có

Cờ	Tác dụng
`-std=c++20`	Chọn chuẩn ngôn ngữ
`-Wall -Wextra`	Bật cảnh báo hữu ích
`-Os` / `-O2`	Tối ưu kích thước / tốc độ
`-fno-exceptions -fno-rtti`	Bỏ tính năng đắt (chỉ khi cần)
`-ffunction-sections -fdata-sections` + `-Wl,--gc-sections`	Loại code không dùng

Ví dụ: kiểm tra môi trường

#include <cstdio>

int main() {
    std::printf("__cplusplus = %ldL\n", static_cast<long>(__cplusplus));
#if defined(__clang__)
    std::printf("compiler    = clang %d.%d\n", __clang_major__, __clang_minor__);
#elif defined(__GNUC__)
    std::printf("compiler    = gcc %d.%d\n", __GNUC__, __GNUC_MINOR__);
#elif defined(_MSC_VER)
    std::printf("compiler    = msvc %d\n", _MSC_VER);
#endif
    return 0;
}

Cách 1: dòng lệnh.

cd code/chapter-05
g++ -std=c++20 -Wall -Wextra -o check_env main.cpp && ./check_env

Cách 2: CMake — cấu hình dùng lại được cho cả host lẫn chip.

cmake_minimum_required(VERSION 3.20)
project(chapter04 LANGUAGES CXX)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 20)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
set(CMAKE_CXX_EXTENSIONS OFF)

add_executable(check_env main.cpp)
target_compile_options(check_env PRIVATE -Wall -Wextra)

cmake -S . -B build
cmake --build build
./build/check_env

Kết quả:

__cplusplus = 202002L
compiler    = gcc 14.4

Nếu __cplusplus in ra 202002L là bạn đang ở C++20. Nếu ra 201703L, bạn đang ở C++17 và cần kiểm tra cờ -std=.

Góc nhúng

Với toolchain chéo, CMake cần một toolchain file khai báo compiler, cờ CPU (-mcpu=cortex-m4 -mthumb), linker script. Phần 6 xây một file như vậy.
Nên gắn cùng CMAKE_CXX_STANDARD cho cả host và target để code test trên PC không khác code chạy trên chip.
Đừng chỉ tin trình biên dịch trên PC: chạy thêm một lần build bằng toolchain chéo trong CI để bắt lỗi khác biệt (kiểu int 16-bit trên AVR, ví dụ).

Lỗi thường gặp

g++: command not found sau khi cài MSYS2: bạn chưa mở đúng shell MinGW-w64 hoặc chưa thêm thư mục bin vào PATH.
Lẫn gcc và g++: gcc biên dịch file .cpp nhưng không tự liên kết thư viện chuẩn C++ trong mọi trường hợp; dùng g++.
Quên -std=c++20 rồi dùng std::span — lỗi "not a member of std".
Chạy cmake --build rồi sửa CMakeLists nhưng không cấu hình lại: xoá thư mục build.

Bài tập

Cài toolchain host, chạy check_env và ghi lại phiên bản compiler + __cplusplus.
Đổi CMAKE_CXX_STANDARD sang 17 rồi 23. Giá trị __cplusplus thay đổi thế nào?
Cài arm-none-eabi-g++. Chạy arm-none-eabi-g++ --version và so sánh với g++.
Biên dịch main.cpp với -Wall -Wextra -Wpedantic. Có cảnh báo mới nào không?

Tóm tắt

Hai loại toolchain: host để chạy/test, cross để tạo firmware.
Luôn ghi rõ -std= và bật -Wall -Wextra.
CMake giúp dùng chung cấu hình giữa host và target.
Xác nhận môi trường bằng __cplusplus trước khi viết code thật.