一文详解Linux内核源码组织结构

书生途 2022-05-10 5719

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描述

概要：本文内容包含Linux源码树结构分析、Linux Makefile分析、Kconfig文件分析、Linux内核配置选项分析。这些知识是为了理解内核文件的组织形式，为具体移植内核做知识准备。

一， Linux源码树结构分析

对Linux源码树下个子目录内包含的内容进行列表罗列：

arch：体系结构相关的代码，每一个子目录代表一种架构
block：块设备的通用函数
crypot：常用加密和散列算法、压缩和CRC校核算法
fs：Linux支持的文件系统，每一个子目录代表一种文件系统
include：内核头文件：基本头文件（include/linux ）、驱动或功能部件头文件（例：include/mtd )、体系相关头文件（linux/asm-arm )
driver：所有的驱动程序，每一个子目录代表一类驱动程序
init：内核的初始化程序，其中main.c中的start_kernel函数是内核引导后执行的第一个函数
ipc：进程间通信代码
kernel：内核管理的核心代码，与体系相关的代码在/arch/$(ARCH)/kernel
lib：内核用到的库函数，与处理器相关的库函数位于/arch/$(ARCH)/lib
mm：内存管理代码，与处理器体系相关的位于/arch/$(ARCH)/mm
net：与网络相关的代码，每一个子目录对应于网络的一个方面
security：安全、密钥相关的代码
sound：音频相关的驱动程序
usr:用来制作一个压缩的cpio归档文件：initrd的镜像，它可以作为内核启动后挂载的第一个文件系统
script:用于配置、编译内核的脚本文件
Documet:内核文档

二，Linux Makefile分析

主要从三个方面讲解：编译哪些文件、如何编译文件、如何连接文件

(1)Linux Makefile的分类

顶层Makefile：总体上控制着内核的编译
arch/$(ARCH)/Makefile：决定哪些和体系相关的代码参加编译
.config：配置文件，内核配置时产生，所有的Makefile都根据这个文件编译内核（包括顶层的和各分成的Makefile）
scripts/Makefile.*：Makefile公用的通用规则、脚本等
*/Makefile：负责该目录下文件的编译

(2)编译哪些文件

顶层Makefile决定哪些目录中的文件将编译进内核

 init-y      := init/
    drivers-y   := drivers/ sound/ firmware/
    net-y       := net/
    libs-y      := lib/
    core-y      := usr/
    ...
    core-y      += kernel/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ block/

顶层Makefile将13个子目录分成5个部分：init-y、drivers-y、net-y、libs-y、core-y

顶层通过下列语句包含和体系架构有关的Makefile。仔细观察可以看到/arch子目录的根目录下是没有Makefile文件的，而其它各子目录都是有Makefile。

    include $(srctree)/arch/$(SRCARCH)/Makefile
    ...
    SRCARCH     := $(ARCH)

所以在编译内核之前先要确定ARCH

    ARCH        ?= $(SUBARCH)
    CROSS_COMPILE   ?=
    ...
    SUBARCH := $(shell uname -m | sed -e s/i.86/i386/ -e s/sun4u/sparc64/ \
                  -e s/arm.*/arm/ -e s/sa110/arm/ \
                  -e s/s390x/s390/ -e s/parisc64/parisc/ \
                  -e s/ppc.*/powerpc/ -e s/mips.*/mips/ \
                  -e s/sh[234].*/sh/ )

默认的ARCH不是我们需要的，所以要进行修改

    ARCH        ?= arm
    CROSS_COMPILE   ?=arm-linux-

$$(srctree)/arch/$(SRCARCH)/Makefile对内核的内容进行了扩充

core-y              += arch/arm/kernel/ arch/arm/mm/ arch/arm/common/
core-y              += $(machdirs) $(platdirs)
core-$(CONFIG_FPE_NWFPE)   += arch/arm/nwfpe/
core-$(CONFIG_FPE_FASTFPE)	+= $(FASTFPE_OBJ)
core-$(CONFIG_VFP)     += arch/arm/vfp/
drivers-$(CONFIG_OPROFILE)      += arch/arm/oprofile/
libs-y              := arch/arm/lib/ $(libs-y)
...
head-y      := arch/arm/kernel/head$(MMUEXT).o arch/arm/kernel/init_task.o

可以看到一个新元素head-y,它还有一个特殊的地方，它是直接对应着两个文件，而不是目录。之所以分成两个是为了同时支持有无MMU的CPU，它们对应着两个不同的head$(MMUEXT).o 文件，由变量MMUEXT控制，可以在配置时设定。

至此我们知道了编译时将进入哪些文件进行编译。编译时依次进入init-y、core-y、libs-y、drivers-y、net-y中列的目录调用其中的Makefile进行编译，每一个子目录都会生成build-in.o(libs-y所列的目录下有可能生成lib.a)。最后head-y列出的文件和build-in.o、lib.a一起连接成vmlinux。

在配置内核时，将会产生.config文件，Makefile将会在.config文件中添加下面两行。

CONFIG_KERNELVERSION = "2.6.32.2"
CONFIG_ARCH = "arm"

有可能是版本原因，在2.6.32.2版本中并没有上面两个语句,有下面两句。

#Linux kernel version = 2.6.32.2
CONFIG_ARM = y

观察.config文件会发现变量的值主要有两种y、m，各级的Makefile将会根据这些变量的值来决定编译哪些文件，同时是编译进内核，还是作为内核模块存在。

obj-y中定义的.o文件将由当前目录下的.c、.S文件及子目录下的build-in.o文件编译连接得到的。

注意：obj-y中定义的.o文件的顺序是由意义的。

下面是一段取自子目录中的Makefile文件内容，在该目录下有ioat和ipu子目录

    obj-$(CONFIG_DMA_ENGINE) += dmaengine.o
    obj-$(CONFIG_NET_DMA) += iovlock.o
    obj-$(CONFIG_DMATEST) += dmatest.o
    obj-$(CONFIG_INTEL_IOATDMA) += ioat/
    obj-$(CONFIG_INTEL_IOP_ADMA) += iop-adma.o
    obj-$(CONFIG_FSL_DMA) += fsldma.o
    obj-$(CONFIG_MV_XOR) += mv_xor.o
    obj-$(CONFIG_DW_DMAC) += dw_dmac.o
    obj-$(CONFIG_AT_HDMAC) += at_hdmac.o
    obj-$(CONFIG_MX3_IPU) += ipu/
    obj-$(CONFIG_TXX9_DMAC) += txx9dmac.o
    obj-$(CONFIG_SH_DMAE) += shdma.o

obj-m中定义的.o文件是由的当前目录下的.c、.S文件编译生成，它们不会与build-in.o一起编译进入内核。而是被编译成.ko文件，作为模块存在。

当.o文件由单文件编译而成时，用下面的语句：

obj-$(CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP) += isdn_bsdcomp.o

当.o文件由多文件编译而成时，用下面的语句：

obj-$(CONFIG_ISDN) +=isdn.o
isdn-objs := isdn_net_lib.o isdn_v110.o isdn_commen.o

编写驱动程序时，也是以这种方式编写Makefile。

lib-y中定义的.o文件是由的当前目录下的.c、.S文件编译生成,他们被打包成当前目录下的lib.a文件。同时出现在lib-y和obj-y中的文件，不会被包含进lib.a文件。

obj-y和obj-m可以用来指定进入下一级目录。

(3)怎么编译这些文件

怎么编译文件就是意味着编译选项和连接选项是什么。

这些选项分成3类：全局的（适用整个代码树）、局部的（适用单个Makefile）、个体的（适用单个文件）。

全局选项是在顶层Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile中定义的，这些选项是CFLAGS、AFLAGS、LDFLAGS、ARFLAGS，它们分别是编译C文件的选项，编译汇编文件的选项，连接文件的选项，制作库文件的选项。

局部选项在各自子目录中定义，名称为：EXTRA_CFLAGS、EXTRA_AFALGS、EXTRA_LDFALGS、EXTRA_ARFLAGS.

对单文件设定编译选项，可以用CLFAGS_$@、AFLAGS_$@，前者对C文件，后者对汇编文件。

注意：3类选项是一起使用的，在scripts/Makefile.lib中可以看到：

_c_flags = $(CFLAGS) $(EXTRA_CFLGAS) $(CFALGS_$(baseterget.o))

如何连接文件

在顶层Makefile文件中有如下语句：

init-y      := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(init-y))
core-y      := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(core-y))
drivers-y   := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(drivers-y))
net-y       := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(net-y))
libs-y1     := $(patsubst %/, %/lib.a, $(libs-y))
libs-y2     := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(libs-y))
libs-y      := $(libs-y1) $(libs-y2)

可以看出以后的连接是相当于着五种built-in.o文件和head-o文件的连接。

之后对这些文件再次进行合并

vmlinux-init := $(head-y) $(init-y)
vmlinux-main := $(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y)
vmlinux-all  := $(vmlinux-init) $(vmlinux-main)
vmlinux-lds  := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds

可以看出初始化代码由两部分组成head-y和init-y两部分组成，而且head-y是在init-y的前面。所以总的代码顺序是arch/arm/kernel/head.o(假设有MMU，没有的话是head_nommu.o)、arch/arm/kernel/init_task.o、init/build-in.o。

连接脚本是arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds，它由arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds.S生成。

具体连接细节可以查看上面的文件内容。

三，内核的Kconfig分析

内核配置工具读取各个Kconfig文件，生成配置界面共开放人员配置内核，最后生成配置文件.config。

关于Kconfig的最权威资料在/Documentations/Kbuild/kconfig-language.txt

Kconfig语法分析：

Kconfig的基本要素：config ；config经常被其它条目包含，用来生成菜单和多项选择。

config JFFS2_FS_WBUF_VERIFY
    bool "Verify JFFS2 write-buffer reads"
    depends on JFFS2_FS_WRITEBUFFER
    default n
    help
      This causes JFFS2 to read back every page written through the
      write-buffer, and check for errors.

上述代码是config的常用方式：

config JFFS2_FS_WBUF_VERIFY

在配置界面中配置了该选项后，会在.config中出现 CONFIG_JFFS2_FS_WBUF_VERIFY = y或者m.

bool "Verify JFFS2 write-buffer reads"

在配置界面中将会显示Verify JFFS2 write-buffer reads选项，bool是变量的类型，一共有5种变量类型：bool、tristate、 string 、hex 、int，bool变量有两种取值y,m；tristate变量有三种取值y,m,n；string可以取字符串；hex取十六进制数；int取十进制数。

depends on JFFS2_FS_WRITEBUFFER

代表只有在JFFS2_FS_WRITEBUFFER被配置时，才会进行该选项的配置。

default n

代表默认的情况下是选择n

select FS_POSIX_ACL

代表在该选项被选种时，会将FS_POSIX_ACL也选种。

    help
      This causes JFFS2 to read back every page written through the
      write-buffer, and check for errors.

当在配置时按H时会显示该信息。

menu条目

配置界面的主界面是由根目录下Makefile中ARCH配置决定的，当选择arm时，/arch/arm中的Kconfig文件将会用来生成主目录。

下面的内容摘自/arch/arm/Kconfig

mainmenu "Linux Kernel Configuration"

设定主目录的名称

menu "System Type"

将会创建System Type子目录

choice条目

choice将多个类似的配置选项组合在一起，供用户多选和单选

choice
    prompt "Memory split"
    default VMSPLIT_3G
    help
      Select the desired split between kernel and user memory.
      If you are not absolutely sure what you are doing, leave this
      option alone!
    config VMSPLIT_3G
        bool "3G/1G user/kernel split"
    config VMSPLIT_2G
        bool "2G/2G user/kernel split"
    config VMSPLIT_1G
        bool "1G/3G user/kernel split"
endchoice
    prompt "Memory split"

上述代码给出提示信息，选中之后就可以进行选择配置

choice条目中定义的变量类型只能是bool和tristate，当配置的代码编译入内核时为bool，只能有一个条目选择为y；当编译成模块时为tristate或bool，为bool时，也只能是一个为y，当为tristate时，可以有多个m。

comment条目

comment条目用于提供帮助信息，出现在配置界面的第一行。

comment "At least one emulation must be selected"

source条目

用于包含其他Kconfig文件

source "drivers/cpuidle/Kconfig"

菜单形式的配置界面的操作方法

配置界面中[*]、< M >、[ ]分别表示相应的文件被编译进内核、编译成模块、没有被编译。

Load an Alertnate Configuration File 
Save an Alertnate Configuration File

当执行第一条语句时，将.config外的config文件加载，当执行第二条时，表示存储成处.config 外的config文件。

四，Linux内核配置选项

与移植密切相关的内容是System Type、Device Driver。

内核配置主界面内容

code maturity level options：代码成熟度选项，包含一些正在开发的或者不成熟的代码和驱动程序，一般不用设置
General setup：常规设置，比如增加附加的内核版本号、支持内存页交换功能、System V进程间通信等。除非很熟悉其中的内容，否则一般使用默认配置
Loadable module support：可加载模块支持：一般都会打开可加载模块支持（Enable loadable module support )、允许卸载已经加载的模块（Module unloading）、让内核通过运行modprobe来自动加载模块（Automatic kernel module loading)
block layer：块设备层：用于设置块设备的一些总体参数，比如是否支持大于2TB的块设备、是否支持大于2TB的文件、设置IO调度器，使用默认值即可
System Type：系统类型:选择CPU的架构、开发板类型等于开发板相关的配置选项
Bus support：PCMCIA 、CardBus总线的支持，对于ARM开发板不需要设置
Kernel Feature ：用于设置内核的一些参数，比如是否支持内核抢占，是否支持动态修改系统时钟
Boot option：启动参数：比如设置默认的命令行参数等，一般不用理会
Floating point emulation：浮点运算仿真功能：因为Linux内核不支持硬件浮点运算，所以要选择一个浮点仿真器，一般选择”NWFPE math emulaiton”
Userspace binary formats：可执行文件格式：一般都选择ELF、a.out格式
Power management options：电源管理选项
Networking：网络协议选项:一般都选择”Networking support“以支持网络功能。通常可以在选择”Networking support“后，使用默认配置
Device Driver：设备驱动程序：几乎包含了Linux的所有的驱动程序
File systems：文件系统:选择支持的文件系统
Profiling support：对系统的或顶进行分析，仅供内核开发者使用
Kernel hacking：调试内核时的各种选项：Linux设备驱动程序中有详细描述
security options：安全选项：一般使用默认选项
Cryptographic options：加密选项
Library routines：库子程序：比如CRC32检验函数、zlib压缩函数等。不包含在内核源码中的第三方内核模块可能需要这些库，可以全不全，内核中若有其他部分依赖它，会自动选项

在配置内核的时候按照顺序进行，因为前面的配置会影响后面的。

审核编辑：汤梓红

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