一文詳解Linux內(nèi)核源碼組織結(jié)構(gòu)

概要：本文內(nèi)容包含Linux源碼樹結(jié)構(gòu)分析、Linux Makefile分析、Kconfig文件分析、Linux內(nèi)核配置選項(xiàng)分析。這些知識是為了理解內(nèi)核文件的組織形式，為具體移植內(nèi)核做知識準(zhǔn)備。

一， Linux源碼樹結(jié)構(gòu)分析

對Linux源碼樹下個子目錄內(nèi)包含的內(nèi)容進(jìn)行列表羅列：

1. arch：體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼，每一個子目錄代表一種架構(gòu)
2. block：塊設(shè)備的通用函數(shù)
3. crypot：常用加密和散列算法、壓縮和CRC校核算法
4. fs：Linux支持的文件系統(tǒng)，每一個子目錄代表一種文件系統(tǒng)
5. include：內(nèi)核頭文件：基本頭文件（include/linux ）、驅(qū)動或功能部件頭文件（例：include/mtd )、體系相關(guān)頭文件（linux/asm-arm )
6. driver：所有的驅(qū)動程序，每一個子目錄代表一類驅(qū)動程序
7. init：內(nèi)核的初始化程序，其中main.c中的start_kernel函數(shù)是內(nèi)核引導(dǎo)后執(zhí)行的第一個函數(shù)
8. ipc：進(jìn)程間通信代碼
9. kernel：內(nèi)核管理的核心代碼，與體系相關(guān)的代碼在/arch/$(ARCH)/kernel
10. lib：內(nèi)核用到的庫函數(shù)，與處理器相關(guān)的庫函數(shù)位于/arch/$(ARCH)/lib
11. mm：內(nèi)存管理代碼，與處理器體系相關(guān)的位于/arch/$(ARCH)/mm
12. net：與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的代碼，每一個子目錄對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)的一個方面
13. security：安全、密鑰相關(guān)的代碼
14. sound：音頻相關(guān)的驅(qū)動程序
15. usr:用來制作一個壓縮的cpio歸檔文件：initrd的鏡像，它可以作為內(nèi)核啟動后掛載的第一個文件系統(tǒng)
16. script:用于配置、編譯內(nèi)核的腳本文件
17. Documet:內(nèi)核文檔

二，Linux Makefile分析

主要從三個方面講解：編譯哪些文件、如何編譯文件、如何連接文件

(1)Linux Makefile的分類

1. 頂層Makefile：總體上控制著內(nèi)核的編譯
2. arch/$(ARCH)/Makefile：決定哪些和體系相關(guān)的代碼參加編譯
3. .config：配置文件，內(nèi)核配置時產(chǎn)生，所有的Makefile都根據(jù)這個文件編譯內(nèi)核（包括頂層的和各分成的Makefile）
4. scripts/Makefile.*：Makefile公用的通用規(guī)則、腳本等
5. */Makefile：負(fù)責(zé)該目錄下文件的編譯

(2)編譯哪些文件

頂層Makefile決定哪些目錄中的文件將編譯進(jìn)內(nèi)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/

頂層Makefile將13個子目錄分成5個部分：init-y、drivers-y、net-y、libs-y、core-y

頂層通過下列語句包含和體系架構(gòu)有關(guān)的Makefile。仔細(xì)觀察可以看到/arch子目錄的根目錄下是沒有Makefile文件的，而其它各子目錄都是有Makefile。

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

所以在編譯內(nèi)核之前先要確定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/ )

默認(rèn)的ARCH不是我們需要的，所以要進(jìn)行修改

    ARCH        ?= arm
    CROSS_COMPILE   ?=arm-linux-

$$(srctree)/arch/$(SRCARCH)/Makefile對內(nèi)核的內(nèi)容進(jìn)行了擴(kuò)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

可以看到一個新元素head-y,它還有一個特殊的地方，它是直接對應(yīng)著兩個文件，而不是目錄。之所以分成兩個是為了同時支持有無MMU的CPU，它們對應(yīng)著兩個不同的head$(MMUEXT).o 文件，由變量MMUEXT控制，可以在配置時設(shè)定。

至此我們知道了編譯時將進(jìn)入哪些文件進(jìn)行編譯。編譯時依次進(jìn)入init-y、core-y、libs-y、drivers-y、net-y中列的目錄調(diào)用其中的Makefile進(jìn)行編譯，每一個子目錄都會生成build-in.o(libs-y所列的目錄下有可能生成lib.a)。最后head-y列出的文件和build-in.o、lib.a一起連接成vmlinux。

在配置內(nèi)核時，將會產(chǎn)生.config文件，Makefile將會在.config文件中添加下面兩行。

CONFIG_KERNELVERSION = "2.6.32.2"
CONFIG_ARCH = "arm"

有可能是版本原因，在2.6.32.2版本中并沒有上面兩個語句,有下面兩句。

#Linux kernel version = 2.6.32.2
CONFIG_ARM = y

觀察.config文件會發(fā)現(xiàn)變量的值主要有兩種y、m，各級的Makefile將會根據(jù)這些變量的值來決定編譯哪些文件，同時是編譯進(jìn)內(nèi)核，還是作為內(nèi)核模塊存在。

obj-y中定義的.o文件將由當(dāng)前目錄下的.c、.S文件及子目錄下的build-in.o文件編譯連接得到的。

注意：obj-y中定義的.o文件的順序是由意義的。

下面是一段取自子目錄中的Makefile文件內(nèi)容，在該目錄下有ioat和ipu子目錄

    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中定義的.o文件是由的當(dāng)前目錄下的.c、.S文件編譯生成，它們不會與build-in.o一起編譯進(jìn)入內(nèi)核。而是被編譯成.ko文件，作為模塊存在。

當(dāng).o文件由單文件編譯而成時，用下面的語句：

obj-$(CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP) += isdn_bsdcomp.o

當(dāng).o文件由多文件編譯而成時，用下面的語句：

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

編寫驅(qū)動程序時，也是以這種方式編寫Makefile。

lib-y中定義的.o文件是由的當(dāng)前目錄下的.c、.S文件編譯生成,他們被打包成當(dāng)前目錄下的lib.a文件。同時出現(xiàn)在lib-y和obj-y中的文件，不會被包含進(jìn)lib.a文件。

obj-y和obj-m可以用來指定進(jìn)入下一級目錄。

(3)怎么編譯這些文件

怎么編譯文件就是意味著編譯選項(xiàng)和連接選項(xiàng)是什么。

這些選項(xiàng)分成3類：全局的（適用整個代碼樹）、局部的（適用單個Makefile）、個體的（適用單個文件）。

全局選項(xiàng)是在頂層Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile中定義的，這些選項(xiàng)是CFLAGS、AFLAGS、LDFLAGS、ARFLAGS，它們分別是編譯C文件的選項(xiàng)，編譯匯編文件的選項(xiàng)，連接文件的選項(xiàng)，制作庫文件的選項(xiàng)。

局部選項(xiàng)在各自子目錄中定義，名稱為：EXTRA_CFLAGS、EXTRA_AFALGS、EXTRA_LDFALGS、EXTRA_ARFLAGS.

對單文件設(shè)定編譯選項(xiàng)，可以用CLFAGS_$@、AFLAGS_$@，前者對C文件，后者對匯編文件。

注意：3類選項(xiàng)是一起使用的，在scripts/Makefile.lib中可以看到：

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

如何連接文件

在頂層Makefile文件中有如下語句：

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)

可以看出以后的連接是相當(dāng)于著五種built-in.o文件和head-o文件的連接。

之后對這些文件再次進(jìn)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

可以看出初始化代碼由兩部分組成head-y和init-y兩部分組成，而且head-y是在init-y的前面。所以總的代碼順序是arch/arm/kernel/head.o(假設(shè)有MMU，沒有的話是head_nommu.o)、arch/arm/kernel/init_task.o、init/build-in.o。

連接腳本是arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds，它由arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds.S生成。

具體連接細(xì)節(jié)可以查看上面的文件內(nèi)容。

三，內(nèi)核的Kconfig分析

內(nèi)核配置工具讀取各個Kconfig文件，生成配置界面共開放人員配置內(nèi)核，最后生成配置文件.config。

關(guān)于Kconfig的最權(quán)威資料在/Documentations/Kbuild/kconfig-language.txt

Kconfig語法分析：

• Kconfig的基本要素：config ；config經(jīng)常被其它條目包含，用來生成菜單和多項(xiàng)選擇。

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.

上述代碼是config的常用方式：

config JFFS2_FS_WBUF_VERIFY

在配置界面中配置了該選項(xiàng)后，會在.config中出現(xiàn) CONFIG_JFFS2_FS_WBUF_VERIFY = y或者m.

bool "Verify JFFS2 write-buffer reads"

在配置界面中將會顯示Verify JFFS2 write-buffer reads選項(xiàng)，bool是變量的類型，一共有5種變量類型：bool、tristate、 string 、hex 、int，bool變量有兩種取值y,m；tristate變量有三種取值y,m,n；string可以取字符串；hex取十六進(jìn)制數(shù)；int取十進(jìn)制數(shù)。

depends on JFFS2_FS_WRITEBUFFER

代表只有在JFFS2_FS_WRITEBUFFER被配置時，才會進(jìn)行該選項(xiàng)的配置。

default n

代表默認(rèn)的情況下是選擇n

select FS_POSIX_ACL

代表在該選項(xiàng)被選種時，會將FS_POSIX_ACL也選種。

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

當(dāng)在配置時按H時會顯示該信息。

menu條目

配置界面的主界面是由根目錄下Makefile中ARCH配置決定的，當(dāng)選擇arm時，/arch/arm中的Kconfig文件將會用來生成主目錄。

下面的內(nèi)容摘自/arch/arm/Kconfig

mainmenu "Linux Kernel Configuration"

設(shè)定主目錄的名稱

menu "System Type"

將會創(chuàng)建System Type子目錄

choice條目

choice將多個類似的配置選項(xiàng)組合在一起，供用戶多選和單選

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"

上述代碼給出提示信息，選中之后就可以進(jìn)行選擇配置

choice條目中定義的變量類型只能是bool和tristate，當(dāng)配置的代碼編譯入內(nèi)核時為bool，只能有一個條目選擇為y；當(dāng)編譯成模塊時為tristate或bool，為bool時，也只能是一個為y，當(dāng)為tristate時，可以有多個m。

comment條目

comment條目用于提供幫助信息，出現(xiàn)在配置界面的第一行。

comment "At least one emulation must be selected"

source條目

用于包含其他Kconfig文件

source "drivers/cpuidle/Kconfig"

菜單形式的配置界面的操作方法

配置界面中[*]、< M >、[ ]分別表示相應(yīng)的文件被編譯進(jìn)內(nèi)核、編譯成模塊、沒有被編譯。

Load an Alertnate Configuration File 
Save an Alertnate Configuration File

當(dāng)執(zhí)行第一條語句時，將.config外的config文件加載，當(dāng)執(zhí)行第二條時，表示存儲成處.config 外的config文件。

四，Linux內(nèi)核配置選項(xiàng)

與移植密切相關(guān)的內(nèi)容是System Type、Device Driver。

內(nèi)核配置主界面內(nèi)容

1. code maturity level options：代碼成熟度選項(xiàng)，包含一些正在開發(fā)的或者不成熟的代碼和驅(qū)動程序，一般不用設(shè)置
2. General setup：常規(guī)設(shè)置，比如增加附加的內(nèi)核版本號、支持內(nèi)存頁交換功能、System V進(jìn)程間通信等。除非很熟悉其中的內(nèi)容，否則一般使用默認(rèn)配置
3. Loadable module support：可加載模塊支持：一般都會打開可加載模塊支持（Enable loadable module support )、允許卸載已經(jīng)加載的模塊（Module unloading）、讓內(nèi)核通過運(yùn)行modprobe來自動加載模塊（Automatic kernel module loading)
4. block layer：塊設(shè)備層：用于設(shè)置塊設(shè)備的一些總體參數(shù)，比如是否支持大于2TB的塊設(shè)備、是否支持大于2TB的文件、設(shè)置IO調(diào)度器，使用默認(rèn)值即可
5. System Type：系統(tǒng)類型:選擇CPU的架構(gòu)、開發(fā)板類型等于開發(fā)板相關(guān)的配置選項(xiàng)
6. Bus support：PCMCIA 、CardBus總線的支持，對于ARM開發(fā)板不需要設(shè)置
7. Kernel Feature ：用于設(shè)置內(nèi)核的一些參數(shù)，比如是否支持內(nèi)核搶占，是否支持動態(tài)修改系統(tǒng)時鐘
8. Boot option：啟動參數(shù)：比如設(shè)置默認(rèn)的命令行參數(shù)等，一般不用理會
9. Floating point emulation：浮點(diǎn)運(yùn)算仿真功能：因?yàn)長inux內(nèi)核不支持硬件浮點(diǎn)運(yùn)算，所以要選擇一個浮點(diǎn)仿真器，一般選擇”NWFPE math emulaiton”
10. Userspace binary formats：可執(zhí)行文件格式：一般都選擇ELF、a.out格式
11. Power management options：電源管理選項(xiàng)
12. Networking：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選項(xiàng):一般都選擇”Networking support“以支持網(wǎng)絡(luò)功能。通?？梢栽谶x擇”Networking support“后，使用默認(rèn)配置
13. Device Driver：設(shè)備驅(qū)動程序：幾乎包含了Linux的所有的驅(qū)動程序
14. File systems：文件系統(tǒng):選擇支持的文件系統(tǒng)
15. Profiling support：對系統(tǒng)的或頂進(jìn)行分析，僅供內(nèi)核開發(fā)者使用
16. Kernel hacking：調(diào)試內(nèi)核時的各種選項(xiàng)：Linux設(shè)備驅(qū)動程序中有詳細(xì)描述
17. security options：安全選項(xiàng)：一般使用默認(rèn)選項(xiàng)
18. Cryptographic options：加密選項(xiàng)
19. Library routines：庫子程序：比如CRC32檢驗(yàn)函數(shù)、zlib壓縮函數(shù)等。不包含在內(nèi)核源碼中的第三方內(nèi)核模塊可能需要這些庫，可以全不全，內(nèi)核中若有其他部分依賴它，會自動選項(xiàng)

在配置內(nèi)核的時候按照順序進(jìn)行，因?yàn)榍懊娴呐渲脮绊懞竺娴摹?/p>

審核編輯：湯梓紅