嵌入式Linux入门7：kernel移植

kernel(内核)的移植在开始时给人的感觉是高大上，内容复杂，工作量大，技术难度高。后来发现内核的移植不过是改改参数，改改寄存器而已。其实，这是因为工作性质决定的。如linus、Alan Cox这样的一、二号功臣，我们无法望其项背。而芯片厂家的大门，也比较难进入，于是，很多人只是接近内核的边缘，做些修补的工作。——而这些人，占的比例很大，笔者就是其中一员。但即使如此，也有很多东西值得学习。

很多年前，笔者任职的公司召开代码评审大会，有位同事对Linux内核提出质疑：Linux内核代码都开源，还要做什么工作？当时笔者研究内核功底不深，不敢回答。笔者认为，不同公司产品不同，不同产品可能源自同一个芯片平台，比如eeprom、flash、ddr、屏幕等，这些适配工作，就需要内核工程师开发、维护。

一、内核编译步骤

一般地，获取内核有2个途径：从kernel.org官方下载；由厂家提供（或是厂家官网，或是直接发RDK包）。

编译内核一般分2步：

1、配置内核：make menuconfig

kernel官方或厂家都会有默认的配置文件，如没有，则可以找相近的配置文件（如经典的2440芯片，可从2410中找配置），然后修改。内核配置主要是选择外设、内核特性，等等。确定配置后，主要是修改源码，很少再会用make menuconfig了。另外，还可以使用make xconfig来配置，这个需要有图形界面，笔者比较少使用这个方式。

2、编译内核

编译内核一般是make zImage或make uImage(uboot专用)。注意，ARM平台需要进行交叉编译，可以在内核源码顶层Makefile中指定编译器和硬件平台(修改CROSS_COMPILE和ARM选项)，如果不指定，则在编译命令中需要加上，如make zImage CROSS_COMPILE=arm-linux- ARCH=arm。

3、编译驱动模块

编译内核模块使用make modules，该命令将会编译内核所有的模块，如果编译单个驱动，可以使用SUBDIRS指定驱动目录，如make modules SUBDIRS=drivers/usb/gadget -j4 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-。

笔者之前的项目开发中，内核、根文件系统由一个部门负责，而应用层由另一部门负责，单独的驱动模块文件以.ko形式存在，需要放到根文件系统中，如果要更新该驱动，需要升级根文件系统分区，而根文件系统中存放应用层的程序文件，由于多部门协作的原因，操作上略显麻烦。因此建议将驱动编译到内核中，从另一方面，将内核、驱动全部由放在一个镜像，也是一个不错的做法。当然，这个建议仅从笔者经验得出的，仅供参考。但是，凡事无绝对，在某个项目中，厂家只提供ko文件，不提供源码，因此只能分别存放不同分区。

4、编译设备树

在3.x版本的内核中已经引入设备树，现在的内核版本已大量使用了，要编译设备树，使用make dtbs即可。设备树位于目录arch/arm/boot/dts中，由该目录的Makefile来指定编译哪些设备树源文件。

不同厂家编译方法可能稍有差异，但本质上是一样的，就笔者接触过的情况而言，有的直接使用一条命令编译打包（笔者弃用之），有的编译目标名称不同（如编译内核使用make kernel.img）。

最后一步是使用内核，涉及内容各式各样。有的厂家直接将镜像文件下载到指定分区即可，有的厂家需要用特定工作将内核镜像重新打包成另一种形式，再用指定工具下载到板子上。

二、内核移植要点

1、阅读厂家提供的手册，有的是驱动开发手册，有的是datasheet(数据手册），有的是RM（reference manual，参考手册），先对芯片平台有个印象。

2、从厂家默认的配置文件中找到涉及到哪些驱动，再找到这个驱动的目录。可以从Kconfig和Makefile来确定，也可以从启动信息中确定。

3、找到主入口文件，分析入口文件做了哪些初始化工作。

4、一般地，厂家已编写好部分驱动，直接使用即可，真正所做的工作，就是根据实际的板子硬件情况来修改，如修改GPIO，删除某些驱动，添加某些驱动，等等。

5、但内核的工作并非如此这般就行了，修改代码是一回事，懂得怎么修改是另一回事。因此，还是要继续学习，可以从简单的驱动入手，结合手册来分析驱动。建议从GPIO、RTC、WDT这些驱动下手。这些驱动，没有过多涉及时序，根据手册的介绍，对照源码，比较容易理解。

另外要指出的是，如果是公司与芯片厂家有合作，则拿资料会容易些（一般会签NDA协议）。如果是个人购买板子，资料一般在光盘或网盘中（但一般不免费公开）。如果都不是，则可以通过google（一定要google）搜索，一般会出现在官网某个地方。比如imx6q、imx6ul的RM可以免费下载。

三、内核学习要点

前面文章提过，（笔者认为）内核知识点分两部分，一是kernel本身的知识点，如内存管理机制(MMU)、时间管理、同步机制、网络协议栈，等等。二是外设驱动，如LED灯、GPIO、按键、mtd。第一部分则由Linux内核开发者那些大神维护，我们抱膜拜的态度去学习，偶有所得，对于自身技能的提高就有很大的帮助。实际工作中更关注第二部分，因为这才是最贴近项目的。用C语言来类比，第一部分可以认为是标准库的函数，不需要深入研究其原理，但可以系统了解一下，待需要时知道如何使用即可。第二部分就是如何使用这些函数完成实际工作。

3.1 学习准备

首先需要了解内核编译的过程，包括配置内核、编译内核、驱动。

然后了解一些内核语法，虽说内核使用C语言编写，但很多语法是GCC扩展的，在学校和教程中是没有学到的。

接着了解platform驱动模型(笔者文章有现成的模板，已经应用于很多个平台上)。此阶段，可以编写简单的字符驱动，并与应用层（用户空间）通信。比如，从用户空间拷贝字符串到内核空间，或反之。

这个阶段，不需要探究原理，能使用即可。比如，platform驱动模型，知道platform_driver如何填写，知道设备、驱动名称需要一致才能匹配，知道驱动探测函数(xx_probe)是真正初始化函数，等即可进入下一步的学习，至于platform驱动是如何与platform设备匹配的，探测函数是如何被调用的，则是后面的事了。

3.2 结合数据手册或参考手册

不结合板子是无法真正学习内核移植的，没有板子，使用qemu模拟亦可（用于学习可以，但毕竟不是实际硬件）。

然后从简单的驱动入手，笔者认为，结合硬件的第一个驱动应该是GPIO驱动，即编写platform驱动设置某个GPIO的方向、电平，如果这GPIO接有LED，则变成了LED驱动。不要一上来就分析MTD子系统、USB子系统，那些太复杂了。GPIO驱动离不开引脚复用，不同芯片平台，引脚复用的机制不同，需要结合代码、手册来学习。这样，会对硬件结构有一个初步认识。

3.3 接触复杂一点的子系统

内核中很多驱动都有其框架，或称子系统，哪怕简单的LED，也有LED子系统。另外还有RTC子系统、WDT子系统、SPI子系统、IIC子系统、MTD子系统、USB子系统，等等。这些子系统的代码已经编写好了，只要使用即可，但要提高技能，还得分析源码。以笔者为例，虽然socket编程很熟悉了，但涉及到底层的却没有了解过。偶然机会，因工作需要解决一些网络驱动问题，继而利用业余时间分析网络子系统（包括有线网络和无线网络），这些经历使笔者对网络通信有进一步的认识。

3.4 进阶

笔者推崇理论与实践结合，具象与抽象结合。如果有些代码太难理解，没关系，打印出来看。如：参数传递，代码执行到何处，某个数值，等，只要想看，都可以打印。对于前面提到的第一部分内核知识，可以研究一下container_of、双向链接，还有sysfs研究，这些算是入门级别的知识。熟悉之后，可以了解通知链、内存管理等等方面。

本文不涉及“非入门级别”的屏幕、摄像头等驱动。

李迟 2017.7.14 周五 晚