谈谈Linux内核镜像

树莓派官方提供的Raspberry Pi OS固件中，boot分区内核的镜像文件命名为kernel7.img,而ubuntu官方提供的固件中，boot分区内核的镜像文件则为vmlinuz，这两者有什么区别？如何生成对应的镜像文件？

这里，我们有必要了解，常见的嵌入式系统中，内核镜像的格式有哪些，如何生成和使用。

 

1、内核镜像格式

1.1 vmlinux

vmlinux是整个内核编译的直接产物。这里提及的是“编译”。显然，内核主要是C语言实现，编译器对内核编译，同样是一般的编译过程：预处理、编译、汇编和链接。从文件的角度，它是ELF格式文件。比如我们通过gcc对*.c进行编译得到的可执行文件，就是属于ELF格式文件。这里vm代表Virtual Memory，Linux支持虚拟内存，因此得名vm。该文件一般在生成在内核源码根目录下。

通过readelf工具查看vmlinux的文件头信息：

readelf -h vmlinux:

ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF64
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              DYN (Shared object file)
  Machine:                           AArch64
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0xffffffc010080000
  Start of program headers:          64 (bytes into file)
  Start of section headers:          15358864 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           56 (bytes)
  Number of program headers:         5
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         32
  Section header string table index: 29

以上可以看到，该内核镜像文件是在aarch64上运行的。

 

1.2 Image

在编译完内核时候，有如下打印信息：

OBJCOPY arch/arm64/boot/Image

的确，Image就在上面的目录下。那么OBJCOPY是什么操作？我们来看看实际执行的命令：

./arch/arm64/boot/.Image.cmd:1:cmd_arch/arm64/boot/Image := aarch64-linux-gnu-objcopy  -O binary -R .note -R .note.gnu.build-id -R .comment -S vmlinux arch/arm64/boot/Image

该命令的解析可以参照如下：

objcopy -O binary -R .note -R .comment -S *.elf  *.bin
#使用 -O binary (或--out-target=binary) 输出为原始的二进制文件
#使用 -R .note  (或--remove-section)    输出文件中不要.note这个section，缩小了文件尺寸
#使用 -R .comment(或--remove-section)   输出文件中不要.comment这个section，缩小了文件尺寸
#使用 -S (或 --strip-all)输出文件中不要重定位信息和符号信息，缩小了文件尺寸 

也即：Image是在vmlinux基础上，去掉不必要信息的二进制码（binary）

 

1.3 Image.gz

在编译树莓派64内核时，在boot目录下，也会发现该镜像文件。在编译过程，有：

GZIP arch/arm64/boot/Image.gz

实际上，Image.gz就是通过GZIP压缩工具对上述的Image进行压缩的产物。在编译时，也可以指定make image.gz。注意到，树莓派的Ubuntu提供的固件，其boot区存放的是vmlinuz，其实就是该压缩的Image，只不过是重命名为vmlinuz罢了。因此，也可以手动来生产树莓派ubuntu-arm64对应的内核镜像：

gzip Image   #执行后，Image将会变成Image.gz
cp Image.gz vmlinuz

arm64是在linux 3.7版本及之后方导入的arch，也是至此之后，内核生成aarch64的内核镜像都是通过gzip直接对Image压缩的，这和arm（32）的内核镜像不一样（详见后述）。如下是官方的说明：

The AArch64 kernel does not currently provide a decompressor and
therefore requires decompression (gzip etc.) to be performed by the boot
loader if a compressed Image target (e.g. Image.gz) is used.  For
bootloaders that do not implement this requirement, the uncompressed
Image target is available instead.

也即：内核镜像vmlinuz/Image.gz，不再（像zImage）那样带有自解压代码，而是需要BootLoader去完成该部分工作，否则，就只能直接使用非解压的Image镜像。

 

1.4 zImage

我们在编译树莓派32位内核时，会有如下打印信息，基本可以宏观上看到整个生成过程。

 

LD      vmlinux.o
  MODPOST vmlinux.o
  KSYM    .tmp_kallsyms1.o
  KSYM    .tmp_kallsyms2.o
  LD      vmlinux
  SORTEX  vmlinux
  SYSMAP  System.map
  OBJCOPY arch/arm/boot/Image
  Kernel: arch/arm/boot/Image is ready
  LDS     arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds
  AS      arch/arm/boot/compressed/head.o
  GZIP    arch/arm/boot/compressed/piggy_data
  CC      arch/arm/boot/compressed/misc.o
  CC      arch/arm/boot/compressed/decompress.o
  CC      arch/arm/boot/compressed/string.o
  AS      arch/arm/boot/compressed/hyp-stub.o
  AS      arch/arm/boot/compressed/lib1funcs.o
  AS      arch/arm/boot/compressed/ashldi3.o
  AS      arch/arm/boot/compressed/bswapsdi2.o
  AS      arch/arm/boot/compressed/piggy.o
  LD      arch/arm/boot/compressed/vmlinux
  OBJCOPY arch/arm/boot/zImage
  Kernel: arch/arm/boot/zImage is ready

首先，zImage是基于Image生成的，和Image.gz不一样的地方是，zImage包含了自解压部分代码，并且不是直接压缩的产物。上面log也看到，piggy_data是在Image基础上压缩的，类似于Image.gz，同时与head.o/misc.o等，链接成vmlinux（显然该compress目录下的vmlinux不同于boot目录下的vmlinux）。最后，通过OBJCOPY，同样去掉一些不必要信息（符号、注释、调试信息等），得到最终的zImage。该镜像可以通过make zImage来生成。

因此，zImage是带有自解压代码的内核镜像文件。

 

 1.5 bzImage

bzImage是通过make bzImage命令来生成，其生成过程与zImage一样。如果内核比较小，那么可以采用zImage或bzImage之一，两种方式引导的系统运行 时是相同的。大的内核采用bzImage，不能采用zImage。

 

1.6 uImage

uImage,从名字看，可以简单理解为，给uboot使用的内核镜像。具体地，它是使用uboot工具mkimage对普通的压缩内核映像文件（zImage）加工而得。具体怎样加工？很简单，就是在zImage之前添加64个字节的头，说明这个内核的版本、加载位置、生成时间、大小等信息，这些信息供uboot加载内核的时候使用。

 

2、总结

内核编译，首先得到的是vmlinux的ELF文件，可以通过OBJCOPY命令来去掉不必要的信息（符号、注释、调试等），得到Image。在64位内核中，通过GZIP对Image直接压缩，得到Image.gz，在一些系统中，还重命名为vmlinuz。由于不带解压程序，因此内核的加载之前，还需要BootLoader去做解压。对32位内核，通常使用带自解压程序的zImage，该镜像是Image基础上进行压缩，然后与head.o/misc.o链接，再经过OBJCOPY的获取到的镜像，因此不是简单的GZIP压缩（也不能通过GZIP来解压使用）。

根据前面的分析，我们将各类镜像的生成过程通过如下图直观表示出来：

 

 

 

 

 

 

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