总结-Linux内核配置系统浅析

Linux内核配置系统浅析随着Linux操作系统的广泛应用，特别是Linux在嵌入式领域的发展，越来越多的人开始投身到Linux内核级的开发中。面对日益庞大的Linux内核源代码，开发者在完成自己的内核代码后，都将面临着同样的问题，即如何将源代码融入到Linux内核中，增加相应的Linux配置选项，并最终被编译进Linux内核。这就需要了解Linux的内核配置系统。众所周知，Linux内核是由分布在全球的Linux爱好者共同开发的，Linux内核每天都面临着许多新的变化。但是，Linux内核的组织并没有出现混乱的现象，反而显得非常的简洁，而且具有很好的扩展性，开发人员可以很方便的向Linux内核中增加新的内容。原因之一就是Linux采用了模块化的内核配置系统，从而保证了内核的扩展性。本文首先分析了Linux内核中的配置系统结构，然后，解释了Makefile和配置文件的格式以及配置语句的含义，最后，通过一个简单的例子--TESTDriver，具体说明如何将自行开发的代码加入到Linux内核中。在下面的文章中，不可能解释所有的功能和命令，只对那些常用的进行解释，至于那些没有讨论到的，请读者参考后面的参考文献。1．配置系统的基本结构Linux内核的配置系统由三个部分组成，分别是：Makefile：分布在Linux内核源代码中的Makefile，定义Linux内核的编译规则；配置文件（config.in）：给用户提供配置选择的功能；配置工具：包括配置命令解释器（对配置脚本中使用的配置命令进行解释）和配置用户界面（提供基于字符界面、基于Ncurses图形界面以及基于Xwindows图形界面的用户配置界面，各自对应于Makeconfig、Makemenuconfig和makexconfig）。这些配置工具都是使用脚本语言，如Tcl/TK、Perl编写的（也包含一些用C编写的代码）。本文并不是对配置系统本身进行分析，而是介绍如何使用配置系统。所以，除非是配置系统的维护者，一般的内核开发者无须了解它们的原理，只需要知道如何编写Makefile和配置文件就可以。所以，在本文中，我们只对Makefile和配置文件进行讨论。另外，凡是涉及到与具体CPU体系结构相关的内容，我们都以ARM为例，这样不仅可以将讨论的问题明确化，而且对内容本身不产生影响。2．Makefile2.1Makefile概述Makefile的作用是根据配置的情况，构造出需要编译的源文件列表，然后分别编译，并把目标代码链接到一起，最终形成Linux内核二进制文件。由于Linux内核源代码是按照树形结构组织的，所以Makefile也被分布在目录树中。Linux内核中的Makefile以及与Makefile直接相关的文件有：Makefile：顶层Makefile，是整个内核配置、编译的总体控制文件。.config：内核配置文件，包含由用户选择的配置选项，用来存放内核配置后的结果（如makeconfig）。arch/*/Makefile：位于各种CPU体系目录下的Makefile，如arch/arm/Makefile，是针对特定平台的Makefile。各个子目录下的Makefile：比如drivers/Makefile，负责所在子目录下源代码的管理。Rules.make：规则文件，被所有的Makefile使用。用户通过makeconfig配置后，产生了.config。顶层Makefile读入.config中的配置选择。顶层Makefile有两个主要的任务：产生vmlinux文件和内核模块（module）。为了达到此目的，顶层Makefile递归的进入到内核的各个子目录中，分别调用位于这些子目录中的Makefile。至于到底进入哪些子目录，取决于内核的配置。在顶层Makefile中，有一句：includearch/$(ARCH)/Makefile，包含了特定CPU体系结构下的Makefile，这个Makefile中包含了平台相关的信息。位于各个子目录下的Makefile同样也根据.config给出的配置信息，构造出当前配置下需要的源文件列表，并在文件的最后有include$(TOPDIR)/Rules.make。Rules.make文件起着非常重要的作用，它定义了所有Makefile共用的编译规则。比如，如果需要将本目录下所有的c程序编译成汇编代码，需要在Makefile中有以下的编译规则：%.s:%.c$(CC)$(CFLAGS)-S$-o$@有很多子目录下都有同样的要求，就需要在各自的Makefile中包含此编译规则，这会比较麻烦。而Linux内核中则把此类的编译规则统一放置到Rules.make中，并在各自的Makefile中包含进了Rules.make（includeRules.make），这样就避免了在多个Makefile中重复同样的规则。对于上面的例子，在Rules.make中对应的规则为：%.s:%.c$(CC)$(CFLAGS)$(EXTRA_CFLAGS)$(CFLAGS_$(*F))$(CFLAGS_$@)-S$-o$@2.2Makefile中的变量顶层Makefile定义并向环境中输出了许多变量，为各个子目录下的Makefile传递一些信息。有些变量，比如SUBDIRS，不仅在顶层Makefile中定义并且赋初值，而且在arch/*/Makefile还作了扩充。常用的变量有以下几类：1）版本信息版本信息有：VERSION，PATCHLEVEL,SUBLEVEL,EXTR***ERSION，KERNELRELEASE。版本信息定义了当前内核的版本，比如VERSION=2，PATCHLEVEL=4，SUBLEVEL=18，EXAT***ERSION=-rmk7，它们共同构成内核的发行版本KERNELRELEASE：2.4.18-rmk72）CPU体系结构：ARCH在顶层Makefile的开头，用ARCH定义目标CPU的体系结构，比如ARCH:=arm等。许多子目录的Makefile中，要根据ARCH的定义选择编译源文件的列表。3）路径信息：TOPDIR,SUBDIRSTOPDIR定义了Linux内核源代码所在的根目录。例如，各个子目录下的Makefile通过$(TOPDIR)/Rules.make就可以找到Rules.make的位置。SUBDIRS定义了一个目录列表，在编译内核或模块时，顶层Makefile就是根据SUBDIRS来决定进入哪些子目录。SUBDIRS的值取决于内核的配置，在顶层Makefile中SUBDIRS赋值为kerneldriversmmfsnetipclib；根据内核的配置情况，在arch/*/Makefile中扩充了SUBDIRS的值，参见4）中的例子。4）内核组成信息：HEAD,CORE_FILES,NETWORKS,DRIVERS,LIBSLinux内核文件vmlinux是由以下规则产生的：vmlinux:$(CONFIGURATION)init/main.oinit/version.olinuxsubdirs$(LD)$(LINKFLAGS)$(HEAD)init/main.oinit/version.o\--start-group\$(CORE_FILES)\$(DRIVERS)\$(NETWORKS)\$(LIBS)\--end-group\-ovmlinux可以看出，vmlinux是由HEAD、main.o、version.o、CORE_FILES、DRIVERS、NETWORKS和LIBS组成的。这些变量（如HEAD）都是用来定义连接生成vmlinux的目标文件和库文件列表。其中，HEAD在arch/*/Makefile中定义，用来确定被最先链接进vmlinux的文件列表。比如，对于ARM系列的CPU，HEAD定义为：HEAD:=arch/arm/kernel/head-$(PROCESSOR).o\arch/arm/kernel/init_task.o表明head-$(PROCESSOR).o和init_task.o需要最先被链接到vmlinux中。PROCESSOR为armv或armo，取决于目标CPU。CORE_FILES，NETWORK，DRIVERS和LIBS在顶层Makefile中定义，并且由arch/*/Makefile根据需要进行扩充。CORE_FILES对应着内核的核心文件，有kernel/kernel.o，mm/mm.o，fs/fs.o，ipc/ipc.o，可以看出，这些是组成内核最为重要的文件。同时，arch/arm/Makefile对CORE_FILES进行了扩充：#arch/arm/Makefile#Ifwehaveamachine-specificdirectory,thenincludeitinthebuild.MACHDIR:=arch/arm/mach-$(MACHINE)ifeq($(MACHDIR),$(wildcard$(MACHDIR)))SUBDIRS+=$(MACHDIR)CORE_FILES:=$(MACHDIR)/$(MACHINE).o$(CORE_FILES)endifHEAD:=arch/arm/kernel/head-$(PROCESSOR).o\arch/arm/kernel/init_task.oSUBDIRS+=arch/arm/kernelarch/arm/mmarch/arm/libarch/arm/nwfpeCORE_FILES:=arch/arm/kernel/kernel.oarch/arm/mm/mm.o$(CORE_FILES)LIBS:=arch/arm/lib/lib.a$(LIBS)5）编译信息：CPP,CC,AS,LD,AR，CFLAGS，LINKFLAGS在Rules.make中定义的是编译的通用规则，具体到特定的场合，需要明确给出编译环境，编译环境就是在以上的变量中定义的。针对交叉编译的要求，定义了CROSS_COMPILE。比如：CROSS_COMPILE=arm-linux-CC=$(CROSS_COMPILE)gccLD=$(CROSS_COMPILE)ld......CROSS_COMPILE定义了交叉编译器前缀arm-linux-，表明所有的交叉编译工具都是以arm-linux-开头的，所以在各个交叉编译器工具之前，都加入了$(CROSS_COMPILE)，以组成一个完整的交叉编译工具文件名，比如arm-linux-gcc。CFLAGS定义了传递给C编译器的参数。LINKFLAGS是链接生成vmlinux时，由链接器使用的参数。LINKFLAGS在arm/*/Makefile中定义，比如：#arch/arm/MakefileLINKFLAGS:=-p-X-Tarch/arm/vmlinux.lds6）配置变量CONFIG_*.config文件中有许多的配置变量等式，用来说明用户配置的结果。例如CONFIG_MODULES=y表明用户选择了Linux内核的模块功能。.config被顶层Makefile包含后，就形成许多的配置变量，每个配置变量具有确定的值：y表示本编译选项对应的内核代码被静态编译进Linux内核；m表示本编译选项对应的内核代码被编译成模块；n表示不选择此编译选项；如果根本就没有选择，那么配置变量的值为空。2.3Rules.make变量前面讲过，Rules.make是编译规则文件，所有的Makefile中都会包括Rules.make。Rules.make文件定义了许多变量，最为重要是那些编译、链接列表变量。O_OBJS，L_OBJS，OX_OBJS，LX_OBJS：本目录下需要编译进Linux内核vmlinux的目标文件列表，其中OX_OBJS和LX_OBJS中的X表明目标文件使用了EXPORT_SYMBOL输出符号。M_OBJS，MX_OBJS：本目录下需要被编译成可装载模块的目标文件列表。同样，MX