Linux內(nèi)核配置系統(tǒng)詳解

隨著 Linux 操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，特別是 Linux 在嵌入式領(lǐng)域的發(fā)展，越來越多的人開始投身到 Linux 內(nèi)核級的開發(fā)中。面對日益龐大的 Linux 內(nèi)核源代碼，開發(fā)者在完成自己的內(nèi)核代碼后，都將面臨著同樣的問題，即如何將源代碼融入到 Linux 內(nèi)核中，增加相應(yīng)的 Linux 配置選項，并最終被編譯進 Linux 內(nèi)核。這就需要了解 Linux 的內(nèi)核配置系統(tǒng)。
　　眾所周知，Linux 內(nèi)核是由分布在全球的 Linux 愛好者共同開發(fā)的，Linux 內(nèi)核每天都面臨著許多新的變化。但是，Linux 內(nèi)核的組織并沒有出現(xiàn)混亂的現(xiàn)象，反而顯得非常的簡潔，而且具有很好的擴展性，開發(fā)人員可以很方便的向 Linux 內(nèi)核中增加新的內(nèi)容。原因之一就是 Linux 采用了模塊化的內(nèi)核配置系統(tǒng)，從而保證了內(nèi)核的擴展性。
　　本文首先分析了 Linux 內(nèi)核中的配置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后，解釋了 Makefile 和配置文件的格式以及配置語句的含義，最后，通過一個簡單的例子--TEST Driver，具體說明如何將自行開發(fā)的代碼加入到 Linux 內(nèi)核中。在下面的文章中，不可能解釋所有的功能和命令，只對那些常用的進行解釋，至于那些沒有討論到的，請讀者參考后面的參考文獻(xiàn)。
　　1． 配置系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
　　Linux內(nèi)核的配置系統(tǒng)由三個部分組成，分別是：
　　Makefile：分布在 Linux 內(nèi)核源代碼中的 Makefile，定義 Linux 內(nèi)核的編譯規(guī)則；
　　配置文件（config.in）：給用戶提供配置選擇的功能；
　　配置工具：包括配置命令解釋器（對配置腳本中使用的配置命令進行解釋）和配置用戶界面（提供基于字符界面、基于 Ncurses 圖形界面以及基于 Xwindows 圖形界面的用戶配置界面，各自對應(yīng)于 Make config、Make menuconfig 和 make xconfig）。
　　這些配置工具都是使用腳本語言，如 Tcl/TK、Perl 編寫的（也包含一些用 C 編寫的代碼）。本文并不是對配置系統(tǒng)本身進行分析，而是介紹如何使用配置系統(tǒng)。所以，除非是配置系統(tǒng)的維護者，一般的內(nèi)核開發(fā)者無須了解它們的原理，只需要知道如何編寫 Makefile 和配置文件就可以。所以，在本文中，我們只對 Makefile 和配置文件進行討論。另外，凡是涉及到與具體 CPU 體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)容，我們都以 ARM 為例，這樣不僅可以將討論的問題明確化，而且對內(nèi)容本身不產(chǎn)生影響。
　　2． Makefile
　　2.1 Makefile 概述
　　Makefile 的作用是根據(jù)配置的情況，構(gòu)造出需要編譯的源文件列表，然后分別編譯，并把目標(biāo)代碼鏈接到一起，最終形成 Linux 內(nèi)核二進制文件。
　　由于 Linux 內(nèi)核源代碼是按照樹形結(jié)構(gòu)組織的，所以 Makefile 也被分布在目錄樹中。Linux 內(nèi)核中的 Makefile 以及與 Makefile 直接相關(guān)的文件有：
　　Makefile：頂層 Makefile，是整個內(nèi)核配置、編譯的總體控制文件。
　　.config：內(nèi)核配置文件，包含由用戶選擇的配置選項，用來存放內(nèi)核配置后的結(jié)果（如 make config）。
　　arch/*/Makefile：位于各種 CPU 體系目錄下的 Makefile，如 arch/arm/Makefile，是針對特定平臺的 Makefile。
　　各個子目錄下的 Makefile：比如 drivers/Makefile，負(fù)責(zé)所在子目錄下源代碼的管理。
　　Rules.make：規(guī)則文件，被所有的 Makefile 使用。
　　用戶通過 make config 配置后，產(chǎn)生了 .config。頂層 Makefile 讀入 .config 中的配置選擇。頂層 Makefile 有兩個主要的任務(wù)：產(chǎn)生 vmlinux 文件和內(nèi)核模塊（module）。為了達(dá)到此目的，頂層 Makefile 遞歸的進入到內(nèi)核的各個子目錄中，分別調(diào)用位于這些子目錄中的 Makefile。至于到底進入哪些子目錄，取決于內(nèi)核的配置。在頂層 Makefile 中，有一句：include arch/$（ARCH）/Makefile，包含了特定 CPU 體系結(jié)構(gòu)下的 Makefile，這個 Makefile 中包含了平臺相關(guān)的信息。
　　位于各個子目錄下的 Makefile 同樣也根據(jù) .config 給出的配置信息，構(gòu)造出當(dāng)前配置下需要的源文件列表，并在文件的最后有 include $（TOPDIR）/Rules.make。
　　Rules.make 文件起著非常重要的作用，它定義了所有 Makefile 共用的編譯規(guī)則。比如，如果需要將本目錄下所有的 c 程序編譯成匯編代碼，需要在 Makefile 中有以下的編譯規(guī)則：
　　%.s： %.c
　　$（CC） $（CFLAGS） -S $《 -o $@
　　有很多子目錄下都有同樣的要求，就需要在各自的 Makefile 中包含此編譯規(guī)則，這會比較麻煩。而 Linux 內(nèi)核中則把此類的編譯規(guī)則統(tǒng)一放置到 Rules.make 中，并在各自的 Makefile 中包含進了 Rules.make（include Rules.make），這樣就避免了在多個 Makefile 中重復(fù)同樣的規(guī)則。對于上面的例子，在 Rules.make 中對應(yīng)的規(guī)則為：
　　%.s： %.c
　　$（CC） $（CFLAGS） $（EXTRA_CFLAGS） $（CFLAGS_$（*F）） $（CFLAGS_$@） -S $《 -o $@
　　2.2 Makefile 中的變量
　　頂層 Makefile 定義并向環(huán)境中輸出了許多變量，為各個子目錄下的 Makefile 傳遞一些信息。有些變量，比如 SUBDIRS，不僅在頂層 Makefile 中定義并且賦初值，而且在 arch/*/Makefile 還作了擴充。
　　常用的變量有以下幾類：
　　1） 版本信息
　　版本信息有：VERSION，PATCHLEVEL， SUBLEVEL， EXTRAVERSION，KERNELRELEASE。版本信息定義了當(dāng)前內(nèi)核的版本，比如 VERSION=2，PATCHLEVEL=4，SUBLEVEL=18，EXATAVERSION=-rmk7，它們共同構(gòu)成內(nèi)核的發(fā)行版本KERNELRELEASE：2.4.18-rmk7
　　2） CPU 體系結(jié)構(gòu)：ARCH
　　在頂層 Makefile 的開頭，用 ARCH 定義目標(biāo) CPU 的體系結(jié)構(gòu)，比如 ARCH：=arm 等。許多子目錄的 Makefile 中，要根據(jù) ARCH 的定義選擇編譯源文件的列表。
　　3） 路徑信息：TOPDIR， SUBDIRS
　　TOPDIR 定義了 Linux 內(nèi)核源代碼所在的根目錄。例如，各個子目錄下的 Makefile 通過 $（TOPDIR）/Rules.make 就可以找到 Rules.make 的位置。
　　SUBDIRS 定義了一個目錄列表，在編譯內(nèi)核或模塊時，頂層 Makefile 就是根據(jù) SUBDIRS 來決定進入哪些子目錄。SUBDIRS 的值取決于內(nèi)核的配置，在頂層 Makefile 中 SUBDIRS 賦值為 kernel drivers mm fs net ipc lib；根據(jù)內(nèi)核的配置情況，在 arch/*/Makefile 中擴充了 SUBDIRS 的值，參見4）中的例子。
　　4） 內(nèi)核組成信息：HEAD， CORE_FILES， NETWORKS， DRIVERS， LIBS
　　Linux 內(nèi)核文件 vmlinux 是由以下規(guī)則產(chǎn)生的：
　　vmlinux： $（CONFIGURATION） init/main.o init/version.o linuxsubdirs
　　$（LD） $（LINKFLAGS） $（HEAD） init/main.o init/version.o
　　--start-group
　　$（CORE_FILES）
　　$（DRIVERS）
　　$（NETWORKS）
　　$（LIBS）
　　--end-group
　　-o vmlinux
　　可以看出，vmlinux 是由 HEAD、main.o、version.o、CORE_FILES、DRIVERS、NETWORKS 和 LIBS 組成的。這些變量（如 HEAD）都是用來定義連接生成 vmlinux 的目標(biāo)文件和庫文件列表。其中，HEAD在arch/*/Makefile 中定義，用來確定被最先鏈接進 vmlinux 的文件列表。比如，對于 ARM 系列的 CPU，HEAD 定義為：
　　HEAD　　　　　?。? arch/arm/kernel/head-$（PROCESSOR）.o
　　arch/arm/kernel/init_task.o
　　表明 head-$（PROCESSOR）.o 和 init_task.o 需要最先被鏈接到 vmlinux 中。PROCESSOR 為 armv 或 armo，取決于目標(biāo) CPU。 CORE_FILES，NETWORK，DRIVERS 和 LIBS 在頂層 Makefile 中定義，并且由 arch/*/Makefile 根據(jù)需要進行擴充。 CORE_FILES 對應(yīng)著內(nèi)核的核心文件，有 kernel/kernel.o，mm/mm.o，fs/fs.o，ipc/ipc.o，可以看出，這些是組成內(nèi)核最為重要的文件。同時，arch/arm/Makefile 對 CORE_FILES 進行了擴充：
　　# arch/arm/Makefile
　　# If we have a machine-specific directory， then include it in the build.
　　MACHDIR　　　　 ：= arch/arm/mach-$（MACHINE）
　　ifeq （$（MACHDIR），$（wildcard $（MACHDIR）））
　　SUBDIRS　　　　 += $（MACHDIR）
　　CORE_FILES　　?。? $（MACHDIR）/$（MACHINE）.o $（CORE_FILES）
　　endif
　　HEAD　　　　　?。? arch/arm/kernel/head-$（PROCESSOR）.o
　　arch/arm/kernel/init_task.o
　　SUBDIRS　　　　 += arch/arm/kernel arch/arm/mm arch/arm/lib arch/arm/nwfpe
　　CORE_FILES　　　：= arch/arm/kernel/kernel.o arch/arm/mm/mm.o $（CORE_FILES）
　　LIBS　　　　　?。? arch/arm/lib/lib.a $（LIBS）
　　5） 編譯信息：CPP， CC， AS， LD， AR，CFLAGS，LINKFLAGS
　　在 Rules.make 中定義的是編譯的通用規(guī)則，具體到特定的場合，需要明確給出編譯環(huán)境，編譯環(huán)境就是在以上的變量中定義的。針對交叉編譯的要求，定義了 CROSS_COMPILE。比如：
　　CROSS_COMPILE　 = arm-linux-
　　CC　　　　　　　= $（CROSS_COMPILE）gcc
　　LD　　　　　　　= $（CROSS_COMPILE）ld
　　。..。..
　　CROSS_COMPILE 定義了交叉編譯器前綴 arm-linux-，表明所有的交叉編譯工具都是以 arm-linux- 開頭的，所以在各個交叉編譯器工具之前，都加入了 $（CROSS_COMPILE），以組成一個完整的交叉編譯工具文件名，比如 arm-linux-gcc。
　　CFLAGS 定義了傳遞給 C 編譯器的參數(shù)。
　　LINKFLAGS 是鏈接生成 vmlinux 時，由鏈接器使用的參數(shù)。LINKFLAGS 在 arm/*/Makefile 中定義，比如：
　　# arch/arm/Makefile
　　LINKFLAGS　　　 ：=-p -X -T arch/arm/vmlinux.lds
　　6） 配置變量CONFIG_*
　　.config 文件中有許多的配置變量等式，用來說明用戶配置的結(jié)果。例如 CONFIG_MODULES=y 表明用戶選擇了 Linux 內(nèi)核的模塊功能。
　　.config 被頂層 Makefile 包含后，就形成許多的配置變量，每個配置變量具有確定的值：y 表示本編譯選項對應(yīng)的內(nèi)核代碼被靜態(tài)編譯進 Linux 內(nèi)核；m 表示本編譯選項對應(yīng)的內(nèi)核代碼被編譯成模塊；n 表示不選擇此編譯選項；如果根本就沒有選擇，那么配置變量的值為空。
　　2.3 Rules.make 變量
　　前面講過，Rules.make 是編譯規(guī)則文件，所有的 Makefile 中都會包括 Rules.make。Rules.make 文件定義了許多變量，最為重要是那些編譯、鏈接列表變量。
　　O_OBJS，L_OBJS，OX_OBJS，LX_OBJS：本目錄下需要編譯進 Linux 內(nèi)核 vmlinux 的目標(biāo)文件列表，其中 OX_OBJS 和 LX_OBJS 中的 “X” 表明目標(biāo)文件使用了 EXPORT_SYMBOL 輸出符號。
　　M_OBJS，MX_OBJS：本目錄下需要被編譯成可裝載模塊的目標(biāo)文件列表。同樣，MX_OBJS 中的 “X” 表明目標(biāo)文件使用了 EXPORT_SYMBOL 輸出符號。
　　O_TARGET，L_TARGET：每個子目錄下都有一個 O_TARGET 或 L_TARGET，Rules.make 首先從源代碼編譯生成 O_OBJS 和 OX_OBJS 中所有的目標(biāo)文件，然后使用 $（LD） -r 把它們鏈接成一個 O_TARGET 或 L_TARGET。O_TARGET 以 .o 結(jié)尾，而 L_TARGET 以 .a 結(jié)尾。
　　2.4 子目錄 Makefile
　　子目錄 Makefile 用來控制本級目錄以下源代碼的編譯規(guī)則。我們通過一個例子來講解子目錄 Makefile 的組成：
　　#
　　# Makefile for the linux kernel.
　　#
　　# All of the （potential） objects that export symbols.
　　# This list comes from ‘grep -l EXPORT_SYMBOL *.［hc］’。
　　export-objs　?。? tc.o
　　# Object file lists.
　　obj-y　　　　：=
　　obj-m　　　　：=
　　obj-n　　　?。?
　　obj-　　　?。?
　　obj-$（CONFIG_TC） += tc.o
　　obj-$（CONFIG_ZS） += zs.o
　　obj-$（CONFIG_VT） += lk201.o lk201-map.o lk201-remap.o
　　# Files that are both resident and modular： remove from modular.
　　obj-m　　　?。? $（filter-out $（obj-y）， $（obj-m））
　　# Translate to Rules.make lists.
　　L_TARGET　?。? tc.a
　　L_OBJS　　　?。? $（sort $（filter-out $（export-objs）， $（obj-y）））
　　LX_OBJS　　　?。? $（sort $（filter　　 $（export-objs）， $（obj-y）））
　　M_OBJS　　　?。? $（sort $（filter-out $（export-objs）， $（obj-m）））
　　MX_OBJS　　　?。? $（sort $（filter　　 $（export-objs）， $（obj-m）））
　　include $（TOPDIR）/Rules.make
　　a） 注釋
　　對 Makefile 的說明和解釋，由#開始。