Linux内核移植之一：内核源码结构与Makefile分析

内容来自 韦东山《嵌入式Linux应用开发完全手册》

 

一、内核介绍

1、版本及其特点

        Linux内核的版本号可以从源代码的顶层目录下的Makefile中看到，比如下面几行它们构成了Linux的版本号：2.6.22.6。
 

VERSION=2
PATCHLEVEL=6SUBLEVEL =22
EXTRAVERSION=.6

        其中的“VERSION”和“PATCHLEVEL”组成主版本号，比如2.4、2.5、2.6等，稳定版本的主版本号用偶数表示（比如2.4、2.6），每隔2~3年出现一个稳定版本。开发中的版本号用奇数来表示（比如2.3、2.5），它是下一个稳定版本的前身。
        “SUBLEVEL”称为次版本号，它不分奇偶，顺序递增。每隔1~2个月发布一个稳定版本。

        “EXTRAVERSION”称为扩展版本号，它不分奇偶，顺序递增。每周发布几次扩展版本号，修正最新的稳定版本的问题。值得注意的是，“EXTRAVERSION”也可以不是数字，而是类似“-rc6”的字样，表示这是一个测试版本。在新的稳定版本发布之前，会先发布几个测试版本用于测试。
        Linux内核的最初版本在1991年发布，这是Linus Torvalds为他的386开发的一个类Minix的操作系统。

2、获取内核源码

        登录https://www.kernel.org/，可以看到如下：

        上面列举了当前内核的最新稳定版本、测试版本、补丁等。

        一般而言，各种补丁文件都是基内核的某个正式版本生成的。比如有补丁文件patch-2.6.xx.1、patch-2.6.xx.2、patch-2.6.xx.3，它们都是基于内核2.6.xx生成的补丁文件。使用时可以在内核2.6.xx上直接打补丁patch-2.6.xx.3，并不需要先打上补丁patch-2.6.xx.1、patch-2.6.xx.2；相应地，如果已经打了补丁patch-2.6.xx.2，在打补丁patch-2.6.xx.3前，要先去除patch-2.6.xx.2。
        本书在Linux2.6.22.6上进行移植、开发，下载linux-2.6.22.6.tar.bz2后用如下命令解压即可得到目录linux-2.6.22.6，里面存放了内核源码：

$ tar xjf linux-2.6.22.6.tar.bz2

        也可以先下载内核源文件linux-2.6.22.tar.bz2、补丁文件patch-2.6.22.6.bz2，然后解压、打补丁（假设源文件、补丁文件放在同一个目录下），命令如下所示：

tar xjf linux-2.6.22.tar.bz2
tar xjf patch-2.6.22.6.bz2
cd linux-2.6.22
patch -pl < ../patch-2.6.22.6

        下面的内容，都假设内核源码所在目录为linux-2.6.22.6。

3、内核源码结构

        Linux内核文件数目将近2万，除去其他架构CPU的相关文件，支持S3C2410、S3C2440这两款芯片的完整内核文件有1万多个。这些文件的组织结构并不复杂，它们分别位于顶层目录下的17个子目录，各个目录功能独立。下表描述了各目录的功能，最后2个目录不包含内核代码。

表1

目录名	描述
arch	体系结构相关的代码，对于每个架构的CPU，arch目录下都有一个对应的子目录，比如arch/arm/、arch/i386/
block	块设备的通用函数
crypto	常用加密和散列算法（如AES、SHA等），还有一些压缩和CRC校验算法
drivers	所有的设备驱动程序，里面每一个子目录对应一类驱动程序，比如drivers/block/为块设备驱动程序，drivers/char/为字符设备驱动程序，drivers/mtd/为NOR Flash、NAND Flash等存储设备的驱动程序
fs	Linux支持的文件系统的代码，每个子目录对应一种文件系统，比如fsjffs2/、fs/ext2/、fs/ext3/
include	内核头文件，有基本头文件（存放在include/linux/目录下）、各种驱动或功能部件的头文件（比如include/media/、include/mtd/、include/net/）、各种体系相关的头文件（比如include/asm-arm/、include/asm-i386/）。当配置内核后，include/asm/是某个include/asm-xxx/（比如include/asm-arm/）的链接
init	内核的初始化代码（不是系统的引导代码），其中的main.c文件中的start_kernel函数是内核引导后运行的第一个函数
ipc	进程间通信的代码
Kermel	内核管理的核心代码，与处理器相关的代码位于arch/*/kemel/目录下
lib	内核用到的一些库函数代码，比如crc32.c、string.c，与处理器相关的库函数代码位于arch/*/lib/目录下
mm	内存管理代码，与处理器相关的内存管理代码位于arch/*/mm/目录下
net	网络支持代码，每个子目录对应于网络的一个方面
security	安全、密钥相关的代码
sound	音频设备的驱动程序
usr	用来制作一个压缩的cpio归档文件：initrd的镜像，它可以作为内核启动后挂接（mount）的第一个文件系统（一般用不到）
Documentation	内核文档
scripts	用于配置、编译内核的脚本文件

        对于ARM架构的S3C2410、S3C2440，其体系相关的代码在arch/arm/目录下，在后面进行Linux移植时，开始的工作正是修改这个目录下的文件。如下图所示为内核代码的层次结构。

二、Makefile分析

        Makefile的作用主要有以下3点：
（1）决定编译哪些文件。
（2）怎样编译这些文件？
（3）怎样连接这些文件，最重要的是它们的顺序如何？
        Linux内核源码中含有很多个Makefile文件，这些Makefile文件又要包含其他一些文件（比如配置信息、通用的规则等）。这些文件构成了Linux的Makefile体系，可以分为下表中的5类。

名称	描述
顶层Makefile	它是所有Makefile文件的核心，从总体上控制着内核的编译、连接
.config	配置文件，在配置内核时生成。所有Makefile文件（包括顶层目录及各级子目录）都是根据.config来决定使用哪些文件
arch/$(ARCH)/Makefile	对应体系结构的Makefile，它用来决定哪些体系结构相关的文件参与内核的生成，并提供一些规则来生成特定格式的内核映象
scripts/Makefile.*	Makefile共用的通用规则、脚本等
kbuild Makefiles	各级子目录下的Makefile，它们相对简单，被上一层Makefile 调用来编译当前目录下的文件

        内核文档Documentation/kbuild/makefiles.txt对内核中Makefile的作用、用法讲解得非常透彻，以下根据前面总结的Makefile的3大作用分析这5类文件。

1、决定编译哪些文件

        Linux内核的编译过程从顶层Makefile开始，然后递归地进入各级子目录调用它们的Makefile，分为3个步骤。
（1）顶层Makefile决定内核根目录下哪些子目录将被编进内核。
（2）arch/$(ARCH)/Makefile 决定arch/$(ARCH)目录下哪些文件、哪些目录将被编进内核。
（3）各级子目录下的Makefile决定所在目录下哪些文件将被编进内核，哪些文件将被编成模块（即驱动程序），进入哪些子目录继续调用他们的Makefile。

（1）步骤1

        先看步骤（1），在顶层Makefile中可以看到如下内容：

433 init-y    :=init/
434 drivers-y :=drivers/sound/
435 net-y     :=net/
436 libs-y    :=lib/
437 core-y    :=usr/
...
556 core-y    +=kernel/mm/fs/ipc/security/crypto/block/

        可见，顶层Makefile将这13个子目录分为5类：init-y、drivers-y、net-y、libs-y和core-y。表1中有17个子目录，除去include目录和后面两个不包含内核代码的目录外，还有一个arch目录没有出现在内核中。它在arch/$(ARCH)/Makefile中被包含进内核，在顶层Makefile中直接包含了这个Makefile，如下所示：

491 include $(srctree)/arch/$(ARCH)/Makefile

        对于ARCH变量，可以在执行make命令时传入，比如“make ARCH=arm …”。另外，对于非x86平台，还需要指定交叉编译工具，这也可以在执行make命令时传入，比如“make CROSS_COMPILE=arm-linux- …”。为了方便，常在顶层Makefile中进行如下修改。

修改前：
185 ARCH          ?= &(SUBARCH)
186 CROSS_COMPILE ?=
修改后：
185 ARCH          ?=arm
186 CROSS_COMPILE ?=arm-linux-

（2）步骤2
        对于步骤（2）的arch/$(ARCH)/Makefile，以ARM体系为例，在arch/arm/Makefile中可以看到如下内容：

94  head-y :=arch/arm/kernel/head$(MMUEXT).o arch/arm/kernel/init_task.o
...
171 core-y +=arch/arm/kernel/ arch/arm/mm/ arch/arm/common/
172 core-y +=$(MACHINE)
173 core-$(CONFIG_ARCH_S3C2410) += arch/arm/mach-s3c2400/
174 core-$(CONFIG_ARCH_S3C2410) += arch/arm/mach-s3c2412/
175 core-$(CONFIG_ARCH S3C2410) += arch/arm/mach-s3c2440/
...
191 1ibs-y := arch/arm/lib/ $(libs-y)
...

        从第94行可知，除前面的5类子目录外，又出现了另一类：head-y，不过它直接以文件名出现。MMUEXT在arch/arm/Makefile前面定义，对于没有MMU的处理器，MMUEXT的值为-nommu，使用文件head-nommu.S；对于有MMU的处理器，MMUEXT的值为空，使用文件head.S。
        arch/arm/Makefile中类似第171、172、173行的代码进一步扩展了core-y的内容，第191行扩展了libs-y的内容，这些都是体系结构相关的目录。

        第173~175行中的CONFIG_ARCH_S3C2410在配置内核时定义，它的值有3种：y、m或空。y表示编进内核，m表示编为模块，空表示不使用。
        编译内核时，将依次进入init-y、core-y、libs-y、drivers-y和net-y所列出的目录中执行它们的Makefile，每个子目录都会生成一个built-in.o（libs-y所列目录下，有可能生成lib.a文件）。最后，head-y所表示的文件将和这些built-in.o、lib.a一起被连接成内核映象文件vmlinux。

（3）步骤3
        最后，看一下步骤（3）是怎么进行的。
        在配置内核时，生成配置文件.config（具体的配置过程在后面会讲述）。内核顶层Makefile 使用如下语句间接包含.config文件，以后就根据.config中定义的各个变量决定编译哪些文件。之所以说是“间接”包含，是因为包含的是include/config/auto.conf文件，而auto.conf文件只是将.config文件中的注释去掉，再根据顶层Makefile中定义的变量增加了一些变量而已。

441 #Read in config
442 -include include/config/auto.conf 

        include/config/auto.conf文件的生成过程不再描述，它与.config的格式相同，摘选部分内容如下（注意，下面以“#”开头的行是本书加的注释）：

CONEIG_ARCH_SMDK2410=y 
CONFIG_ARCH_S3C2440=y
#.config中没有下面这行，它是根据顶层Makefile中定义的内核版本号增加的
CONFIG_KERNELVERSION="2.6.22.6"
#.config中没有下面这行，它是根据顶层Makefile中定义的ARCH变量增加的
CONFIG_ARCH="arm"
CONFIG_JFFS2_FS=y 
CONFIG_LEDS_S3C24XX=m

        在include/config/auto.conf文件中，变量的值主要有两类：“y”和“m”。各级子目录的Makefile使用这些变量来决定哪些文件被编进内核中，哪些文件被编成模块（即驱动程序），要进入哪些下一级子目录继续编译，这通过以下4种方法来确定（obj-y、obj-m、lib-y是Makefile中的变量）。
        （1）obj-y用来定义哪些文件被编进（built-in）内核。
        obj-y中定义的.o文件由当前目录下的.c或.S文件编译生成，它们连同下级子目录的built-in.o文件一起被组合成（用“$(LD) -r”命令）当前目录下的built-in.o文件。这个built-in.o文件将被它的上一层Makefile使用。
        obj-y中各个.o文件的顺序是有意义的，因为内核中用module_init()或__initcall定义的函数将按照它们的连接顺序被调用。

        例16.1：当下面的CONFIG_ISDN、CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP在.config中被定义为y时，isdn.c或isdn.S、isdn_bsdcomp.c或isdn_bsdcomp.S被编译成isdn.o、isdn_bsdcomp.o。这两个o文件被组合进built-in.o文件中，最后被连接进入内核。假如isdn.o、isdn_bsdcomp.o中分别用module_init(A)、module_init(B)定义了函数A、B，则内核启动时A先被调用，然后是B。

obj-$（CONFIG_ISDN）+=isdn.o 
obj-$（CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP）+=isdn_bsdcomp.o

        （2）obj-m用来定义哪些文件被编译成可加载模块（Loadable module）。
        obj-m中定义的.o文件由当前目录下的.c或.S文件编译生成，它们不会被编进built-in.o中，而是被编成可加载模块。

        一个模块可以由一个或几个.o文件组成。对于只有一个源文件的模块，在obi-m中直接增加它的.o文件即可。对于有多个源文件的模块，除在obj-m中增加一个.o文件外，还要定义一个-objs变量来告诉Makefile这个.o文件由哪些文件组成。

        例16.2：当下面的CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP在.config文件中被定义为m时，isdn_bsdcomp.c或isdn_bsdcomp.S将被编译成isdn_bsdcomp.o文件，它最后被制作成isdn_bsdcomp.ko模块，如下所示：

#drivers/isdn/i41/Makefile 
obj-$(CONEIG_ISDN_PPP_BSDCOMP) += isdn_bsdcomp.o

        例16.3：当下面的CONFIG_ISDN在.config文件中被定义为m时，将会生成一个isdn.o文件，它由isdn-objs中定义的isdn_net_ lib.o、isdn_v110.o、isdn_common.o等3个文件组合而成。isdn.o最后被制作成isdn.ko模块。

#drivers/isdn/i41/Makefile
obj-$(CONFIG_ISDN) += isdn.o 
isdn-objs := isdn_net_lib.o isdn_v110.o isdn_common.o

        （3）lib-y用来定义哪些文件被编成库文件。

        lib-y中定义的.o文件由当前目录下的.c或.S文件编译生成，它们被打包成当前目录下的个库文件：lib.a。

        同时出现在obj-y、lib-y中的.o文件，不会被包含进lib.a中。

        要把这个lib.a编进内核中，需要在顶层Makefile中libs-y变量中列出当前目录。要编成库文件的内核代码一般都在这两个目录下：lib/、arch/$(ARCH)/lib/。

        （4）obj-y、obj-m还可以用来指定要进入的下一层子目录。

        Linux中一个Makefile文件只负责生成当前日录下的目标文件，子目录下的目标文件由子目录的Makefile生成。Linux的编译系统会自动进入这些子目录调用它们的Makefile，只是在这之前需要指定这些子目录。

        这要用到obj-y、obj-m，只要在其中增加这些子目录名即可。

        例16.4：fs/Makefile中有如下一行，当CONFIG_JFFS2_FS被定义为y或m时，在编译时将会进入jffs2/目录进行编译。Linux的编译系统只会根据这些信息决定是否进入下一级目录，而下一级中的文件如何编译成built-in.o或模块由它的Makefile决定。

101 obj-$(CONFIG_JFFS2_FS) += jffs2/

 

2、怎样编译这些文件。

        即编译选项、连接选项是什么。这些选项分3类：全局的，适用于整个内核代码树；局部的，仅适用于某个Makefile中的所有文件；个体的，仅适用于某个文件。

        全局选项在顶层Makefile 和arch/$(ARCH)/Makefile中定义，这些选项的名称为：CFLAGS、AFLAGS、LDFLAGS、ARFLAGS，它们分别是编译C文件的选项、编译汇编文件的选项、连接文件的选项、制作库文件的选项。

        需要使用局部选项时，它们在各个子目录中定义，名称为：EXTRA_CFLAGS、EXTRA_AFLAGS、EXTRA_LDFLAGS、EXTRA_ARFLAGS，它们的用途与前述选项相同，只是适用范围比较小，它们针对当前Makefile中的所有文件。

        另外，如果想针对某个文件定义它的编译选项，可以使用CFLAGS_$@，AFLAGS _$@。前者用于编译某个C文件，后者用于编译某个汇编文件。$@表示某个目标文件名，比如以下代码表示编译ahal52x.c时，选项中要额外加上“-DAHA152X_STAT-DAUTOCONF”。

#drivers/scsi/Makefile 
CFLAGS_aha152x.0 = -DAHA152X_STAT -DAUTOCONF

        需要注意的是，这3类选项是一起使用的，在scripts/Makefile.lib中可以看到。

_c_flags = $(CFLAGS) $(EXTRA_CFLAGS) $(CFLAGS_$(basetarget).o)

 

3、怎样连接这些文件，它们的顺序如何。

        前面分析有哪些文件要编进内核时，顶层Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile定义了6类目录（或文件）：head-y、init-y、drivers-y、net-y、libs-y和core-y。它们的初始值如下（以ARM体系为例）。

        arch/arm/Makefile中：

94  head-y := arch/arm/kernel/head$ (MMUEXT) .o arch/arm/kernel/init_task.o
...
171 core-y += arch/arm/kernel/arch/arm/mm/arch/arm/common/
172 core-y += $(MACHINE)
173 core-$(CONFIG_ARCH_S3C2410) += arch/arm/mach-s3c2400/
174 core-$(CONFIG_ARCH_S3C2410) += arch/arm/mach-s3c2412/
175 core-$(CONEIG_ARCHS3C2410)  += arch/arm/mach-s3c2440/
...
191 libs-y := arch/arm/lib/$(libs-y)
...

        顶层Makefile中：

433 init-y    :=init/
434 drivers-y :=drivers/sound/
435 net-y     :=net/
436 libs-y    :=lib/
437 core-y    :=usr/
...
556 core-y += kernel/mm/fs/ipc/security/crypto/block/

        可见，除head-y外，其余的init-y、drivers-y等都是目录名。在顶层Makefile中，这些目录名的后面直接加上built-in.o或lib.a，表示要连接进内核的文件，如下所示：

567 init-y   :=$(patsubst %/，%/built-in.o，$(init-y))
568 core-y   :=$(patsubst %/，%/built-in.o，$core-y))
569 drivers-y:=$(patsubst %/，%/built-in.o，$(drivers-y))
570 net-y    :=$(patsubst %/，%/built-in.o，$(net-y))
571 libs-y1  :=$((patsubst %/，%/lib.a，$(libs-y))
572 libs-y2i :=$(patsubst %/，%/built-in.o，$(libs-y))
573 libs-y   :=$(libs-y1)  $(libs-y2)

        上面的patsubst是个字符串处理函数，它的用法如下：

$(patsubst pattern，replacement，text)

        表示寻找“text”中符合格式“pattern”的字，用“replacement”替换它们。比如上面的init-y初值为“init/”，经过第567行的交换后，“init-y”变为“init/built-in.o”。

        顶层Makefile中，再往下看。

602 vmlinux-init :=$(head-y) $(init-y)
603 vmlinux-main :=$(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y)
604 vmlinux-al1  :=$(vmlinux-init) $(vmlinux-main)
605 vmlinux-1ds  := arch/$(ARCH)/kerne1/vmlinux.lds

        第604行的vmlinux-all表示所有构成内核映象文件vmlinux的目标文件，从第602~604行可知这些目标文件的顺序为：head-y、init-y、core-y、libs-y、drivers-y、net-y，即arch/arm/kernel/head.o（假设有MMU，否则为head-nommu.o）、arch/arm/kernel/init task.o、init/built-in.o、usr/built-in.o等。

        第605行表示连接脚本为arch/$(ARCH)/kernel/ymlinux.lds。对于ARM体系，连接脚本就是arch/arm/kernel/vmlinux.lds，它由arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S文件生成，规则在scripts/Makefile.build中，如下所示：

248 $(obj)/%.lds: $(src)/%.lds.S FORCE
249     $(ca1l if_changed_dep，cpp_lds_s）
250

        现将生成的arch/arm/kernel/vmlinux.lds摘录如下：

286 SECTIONS
287 {
291 .=（0xc0000000）+0X00008000; /*代码段起始地址，这是个虚拟地址*/
292
293 .text.head:{
294 _stext=.;
295 _sinittext=.;
296 *（.text.head）
297 }
298
299 .init:{/*内核初始化的代码和数据*/
...
343 }
344
...
355 .text:{/*真正的代码段*/
356 _text=.;/*代码段和只读数据段的开始地址*/
...
372}
373 /*只读数据*/
374 .=ALIGN（（4096））；.rodata:AT（ADDR（.rodata）-0）{.……}.=ALIGN（（4096））;
375
376 _etext=.；/*代码段和只读数据段的结束地址*/
...
386 .data:Ar（_data_loc）{/*数据段*/
387 data_start=.；/*数据段起始地址*/
...
422 edata=.；/*数据段结束地址*/
423
424 edataloc =_dataloc+SrZEOF（.data）；/*数据段结束地址*/
425
426 .b33：{/*BSS段，没有初化或初值为0的全局、静态变量*/
427 _bs8_start=.；/*BSS段起始地址*/
428 *（.bss）
429 *（COMMON）
430 end=.；/*BsS段结束地址*/
431
432 /*调试信息段*/
433 .stab 0：{*（.stab）}
...
440}

        下面对本节分析Makefile的结果作一下总结。

（1）配置文件.config中定义了一系列的变量，Makefile将结合它们来决定哪些文件被编进内核、哪些文件被编成模块、涉及哪些子目录。

（2）顶层Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile决定根目录下哪些子目录、arch/$(ARCH)目录下哪些文件和目录将被编进内核。

（3）最后，各级子目录下的Makefile决定所在目录下哪些文件将被编进内核，哪些文件将被编成模块（即驱动程序），进入哪些子目录继续调用它们的Makefile。

（4）顶层Makefile 和arch/$(ARCH)/Makefile 设置了可以影响所有文件的编译、连接选项：CFLAGS、AFLAGS、LDFLAGS、ARFLAGS。

（5）各级子日录下的Makefile中可以设置能够影响当前目录下所有文件的编译、连接选项：EXTRA CFLAGS、EXTRAAFLAGS、EXTRA_LDFLAGS、EXTRAARFLAGS；还可以设置可以影响某个文件的编译选项：CFLAGS_$@，AFLAGS_$@。

（6）顶层Makefile按照一定的顺序组织文件，根据连接脚本 arch/$(ARCH)/kermel/vmlinux.lds生成内核映象文件vmlinux。