深度探索Linux操作系统 —— 构建内核

系列文章目录

深度探索Linux操作系统 —— 编译过程分析
深度探索Linux操作系统 —— 构建工具链
深度探索Linux操作系统 —— 构建内核
深度探索Linux操作系统 —— 构建initramfs
深度探索Linux操作系统 —— 从内核空间到用户空间
深度探索Linux操作系统 —— 构建根文件系统
深度探索Linux操作系统 —— 构建桌面环境
深度探索Linux操作系统 —— Linux图形原理探讨

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前言

    内核的构建系统 kbuild 基于GNU Make，是一套非常复杂的系统。

    对于编译内核而言，一条 make 命令就足够了。因此，构建内核最困难的地方不是编译，而是编译前的配置。配置内核时，通常我们都能找到一些参考。比如，对于桌面系统，可以参考主流发行版的内核配置。但是，这些发行版为了能够在更多的机器上运行，几乎选择了全部的配置选项，编译了全部的驱动，不仅增加了内核的体积，还降低了内核的运行速度。再比如，对于嵌入式系统，BSP（Board Support Package）中通常也提供内核，但他们通常也仅是个可以工作的内核而已。显然，如果要一个占用空间更小、运行更快的内核，就需要开发人员手动配置内核。而且，也确实存在着在某些情况下，我们找不到任何合适的参考，这时我们只能以手动方式从零开始配置。

一、内核映像的组成

1、一级推进系统——setup.bin

    在进行内核初始化时，需要一些信息，如显示信息、内存信息等。曾经，这些信息由工作在实模式下的 setup.bin 通过 BIOS 获取，保存在内核中的变量 boot_params 中，变量 boot_params 是结构体 boot_params 的一个实例。

2、二级推进系统——内核非压缩部分

    内核的保护模式部分是经过压缩的，因此运行前需要解压缩，但是谁来负责内核映像的解压呢？解铃还须系铃人，既然内核在构建时自己压缩了自己，当然解压缩也要由内核映像自己完成。

    内核在压缩的映像外包围了一部分非压缩的代码，Bootloader 在加载内核映像后跳转至外围的这段非压缩部分。这些没有经过解压缩的指令可以直接送给 CPU 执行，由这段 CPU 可执行的指令负责解压内核的压缩部分。

    除了解压以外，非压缩部分还负责内核重定位。内核可以配置为可重定位的（relocatable），所谓可重定位即内核可以被 Bootloader 加载到内存任何位置。但是在链接内核时，链接器需要假定一个加载地址，然后以这个假定地址为参考，为各个符号分配运行时地址。显
然，如果加载地址和链接时假定的地址不同，那么需要对符号的地址进行重新修订，这就是内核重定位。

    内核非压缩部分工作在保护模式下，其占用的内存在完成使命后将会被释放。

3、映像的格式

    在 Linux 作为操作系统的 hosted environment 环境下，二进制文件使用 ELF 格式，操作系统也提供 ELF 文件的加载器。但是，操作系统本身确是工作在 freestanding environment 环境下。操作系统显然不能强制要求 Bootloader 也提供 ELF 加载器。而且，操作系统映像也没有必要使用 ELF 格式来组织，将代码和数据顺次存放即可，即所谓的裸二进制格式。所以，内核映像都采用裸二进制格式进行组织。

    但是，从 Linux 2.6.26 版本开始，内核的压缩部分，即有效载荷部分，采用了 ELF 格式。这样做可以支持 “the Xen domain builder” 的 Bootloader。

    我们知道，在解压内核映像后，将会跳转到解压映像的开头执行。但是，ELF 文件的开头并不是代码段的开始，而是 ELF 文件头，也就是说，并不是 CPU 可执行的机器指令。显然，当内核映像不是裸二进制格式时，我们需要有一个 ELF 加载器来将 ELF 格式的内核映像转化为裸二进制格式。那么谁来充当这个 ELF 加载器呢？

    正所谓“螳螂捕蝉，黄雀在后”。内核的非压缩部分调用函数 decompress 解压内核后，紧接着就调用了函数 parse_elf 来处理ELF格式的内核映像。

    事实上，如果 Bootloader 不是所谓的 “the Xen domain builder” ，我们完全没有必要保留内核的压缩部分为 ELF 格式，并略去启动时进行的 “parse_elf” 。

二、内核映像的构建过程

    在编译内核时，通常我们只需要执行 “make bzImage” ，或者 make 后面不接任何目标。在没有接目标时，构建的内核映像也是 bzImage。

# linux-3.7.4/arch/x86/boot/Makefile:

$(obj)/bzImage: $(obj)/setup.bin $(obj)/vmlinux.bin \
	$(obj)/tools/build FORCE

    根据构建规则可见，bzImage 依赖于 setup.bin 和 vmlinux.bin，所以在构建 bzImage 前，make 将自动先去构建它们，以此类推，vmlinux 的构建也是同样的道理。因此，组成内核映像的各个部分的构建顺序如下：

1. 构建有效载荷 vmlinux，并将其压缩为 vmlinux.bin.gz；
2. 构建二级推进系统，并将二级推进系统装配到有效载荷上，组成 vmlinux.bin；
3. 构建一级推进系统，即构建 setup.bin；
4. 将 setup.bin 和 vmlinux.bin 组合为 bzImage。

三、配置内核

    内核提供了 make menuconfig、make xconfig、make gconfig 等具有图形界面的配置方式。make menuconfig 是图形界面配置方式中最简陋的一种，但是却非常方便易用，依赖也最小。其他如 make xconfig、make gconfig 需要 QT、GTK+ 等库的支持。在本书中，我们使用 make menuconfig 配置内核，其简单地基于终端的图形界面是使用 ncurses 编写的，因此需要安装 libncurses5-dev 。

apt install libncurses5-dev

1、交叉编译内核设置

    在默认情况下，内核构建系统默认内核是本地编译，即编译的内核是运行在与宿主系统相同的体系架构上。如果是为其他的架构编译内核，即交叉编译，我们需要设置两个变量：ARCH 和 CROSS_COMPILE 。其中：

• ARCH 指明目标体系架构，即编译好的内核运行在什么平台上，如 x86、arm 或 mips 等。

• CROSS_COMPILE 指定使用的交叉编译器的前缀。对于我们的交叉工具链来说，其前缀是 i686-none-linux-gnu- 。

    在顶层的 Makefile 中，我们可以看到工具链中的编译器、链接器等均以 $(CROSS_COMPILE) 作为前缀：

# linux-3.7.4/Makefile:

AS	= $(CROSS_COMPILE)as
LD	= $(CROSS_COMPILE)ld
CC	= $(CROSS_COMPILE)gcc
CPP	= $(CC) -E
AR	= $(CROSS_COMPILE)ar
NM	= $(CROSS_COMPILE)nm
STRIP	= $(CROSS_COMPILE)strip
OBJCOPY	= $(CROSS_COMPILE)objcopy
OBJDUMP	= $(CROSS_COMPILE)objdump

    可以使用多种方式定义这两个变量，比如通过在环境变量中定义 ARCH、CROSS_COMPILE ；或者每次执行 make 时，通过命名行为这两个变量的赋值，如：

make ARCH=i386 CROSS_COMPILE=i686-none-linux-gnu-

    也可以直接更改顶层 Makefile 。这种方法比较方便，但是要小心，以免破坏 Makefile 文件。本书中我们采用这种方式，将顶层 Makefile 中的如下脚本：

# linux-3.7.4/Makefile:

ARCH			?= $(SUBARCH)
CROSS_COMPILE	?= $(CONFIG_CROSS_COMPILE:"%"=%)

更改为：

# linux-3.7.4/Makefile:

ARCH			?= i386
CROSS_COMPILE	?= i686-none-linux-gnu-

2、基本内核配置

    在很多情况下，我们都会有一个目标系统的老版本内核配置文件，而不必每次都从零开始。在此种情况下，首先将已有的内核配置文件复制到顶层目录下，并命名为 .config；然后运行 make oldconfig，其将会询问用户如何处理变动的内核配置；最后用户可以使用 make menuconfig 进行微调。虽然内核提供 make oldconfig 的方法，但是这些方法并不是完美的，读者需要小心处理新内核中新增或改变的配置项。

    但是也有很多情况，已有配置并不理想，我们需要进行更彻底定制，或者我们根本找不到一个合适的已有配置。难道我们就别无选择，只能从零开始了吗？当然不是，内核构建系统已经为开发者考虑了这些。

    一方面内核为很多平台附带了默认配置文件，保存在 arch/＜arch＞/configs 目录下，其中 ＜arch＞ 对应具体的架构，如 x86、arm 或者 mips 等。比如，对于 x86 架构，内核分别提供了 32 位和 64 位的配置文件，即 i386_defconfig 和 x86_64_defconfig；对于 arm 架构，内核提供了如 NVIDA 的 Tegra 平台的默认配置 tegra_defconfig，Samsung 的 S5PV210 平台的默认配置 s5pv210_defconfig 等。

    如果我们打算使用x86的32位的默认配置，执行下面命令即可：

make i386_defconfig

    如果想使用Samsung的S5PV210平台的默认配置，则使用如下命令：

make ARCH=arm s5pv210_defconfig

    如果对这些内核内置的默认配置依然不满意，kbuild 还提供了创建一个最小配置的方法，从某种意义上讲，这是最彻底的定制方式了，命令如下：

make allnoconfig

3、内核启动的第一程序

    如果用户没有通过内核命令行参数 “init” 指定第一个进程运行的用户空间的程序，则内核依次尝试执行目录 /sbin、/etc、/bin下的 init，最后尝试执行目录 /bin 下的 sh 。因此，我们在目录 /bin 下建立一个指向 bash 的符号链接 sh，而且，这个符号链接也是 FHS 标准要求的。

四、构建基本根文件系统

1、根文件系统的基本目录结构

    Linux 的根文件系统的目录结构不是随意定义的，而是依照 Filesystem Hierarchy Standard Group 制定的 Filesystem Hierarchy Standard（FHS） 标准。从服务器、个人计算机到嵌入式系统，虽达不到完全符合，但大体上还是遵循这个标准的。

    根文件系统中主要有四处存放可执行程序的目录：/bin、/sbin、/usr/bin 和 /usr/sbin 。系统管理员和普通用户都使用的重要命令保存在 /bin 目录下，而仅由系统管理员使用的重要命令则保存在 /sbin 目录下。相应的，不是很重要的命令则分别放置在 /usr/bin 和 /usr/sbin 目录下。

    同样的道理，重要的系统库一般存放在 /lib 目录下，其他的库则存放在 /usr/lib 目录下。

2、安装C库

    几乎所有程序都依赖 C 库，它是整个系统的基础，因此，我们首先安装 C 库到根文件系统。在前面讨论编译构建系统的 C 库时，我们看到，C 库包含函数库、各种工具程序，以及开发所需的头文件等。而这里的文件系统只是个临时系统，所以 C 库中的各种实用工具及 $SYSROOT/usr/share 目录下的数据文件，都不需要安装。而且这个临时根文件系统亦不需要支撑开发，所以凡是开发时所需要的文件，包括头文件、静态库、启动文件等，也不需要安装。因此，最终我们只需要安装 $SYSROOT/lib 目录下的动态库及相应的动态链接/加载器需要的符号链接。

    我们新建一个保存目标系统的根文件系统的 rootfs 目录，并且按照 FHS 标准的规定，将 C 库安装在 rootfs/lib 目录下，命令如下：

mkdir rootfs
mkdir rootfs/lib
cp -d sysroot/lib/* rootfs/lib/

    除了 Glibc 中包含的 C 库外，在前面编译 GCC 时，我们也看到，GCC 也将部分底层函数封装到库中，有些程序会使用 GCC 的这些库，因此，我们也将这部分程序安装到 rootfs/lib 目录中。同样，我们也只安装动态库及其对应的运行时符号链接，命令如下：

cp -d cross-tool/i686-none-linux-gnu/lib/lib*.so.*[0-9] rootfs/lib/

3、安装shell

    在安装 C 库后，构建基本的应用程序的基础已经具备了，接下来我们需要为内核准备用户空间的程序了。在 Linux 中，专门负责启动的软件包，如 System V init 和 Systemd 等都提供一个二进制程序作为第一个进程执行的用户空间的程序，但是为简单起见，我们使用 bash shell 。安装 bash 的命令如下：

wget https://ftp.gnu.org/gnu/bash/bash-4.2.tar.gz
tar -xf ../source/bash-4.2.tar.gz
./configure --prefix=/usr --bindir=/bin --without-bash-malloc
make
make install DESTDIR=$SYSROOT

# /vita/cross-tool/bin/ldd:
#!/bin/bash
LIBDIR="${SYSROOT}/lib $(SYSROOT}/usr/lib ${CROSS_TOOL}/${TARGET}/lib"
find() {
	for d in $LIBDIR; do
		found=""
		if [ -f "${d}/$1" ]; then
			found="${d}/$1"
			break
		fi
	done
	
	if [ -n "$found" ]; then
		printf "%8s%s => %s\n" "" $1 $found
	else
		printf "%8s%s => (not found)\n" "" $1
	fi
}

readelf -d $1 | grep NEEDED \
	| sed -r -e 's/.*Shared library:[ ]+\[(.*)\]/\1/;' \
	| while read lib; do
		find $lib
	done