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linux核心的配置系統由幾個部分組成

青灯夜游
青灯夜游原創
2023-03-16 09:39:062674瀏覽

linux核心的設定係統由3部分組成：1、Makefile，分佈在Linux核心原始碼根目錄及各層目錄中，定義Linux核心的編譯規則；2、設定檔（config.in） ，提供使用者配置選擇的能力；3、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）和配置使用者介面。

linux核心的配置系統由幾個部分組成

本教學操作環境：linux7.3系統、Dell G3電腦。

Linux核心的設定係統由三個部分組成，它們分別是：Makefile、設定檔（ config.in ）、設定工具。

  • Makefile：分佈在Linux 核心原始碼根目錄及各層目錄中，定義Linux 核心的編譯規則；

設定檔（config.in）：提供使用者設定選擇的能力；

  • 設定工具：包含設定指令解釋器（對設定腳本中所使用的設定指令進行解釋）和設定使用者介面（提供基於字元介面、基於Ncurses 圖形介面以及基於Xwindows 圖形介面的使用者配置介面，各自對應於Make config、Make menuconfig 和make xconfig）。

  • 這些設定工具都是使用腳本語言，如 Tcl/TK、Perl 編寫的（也包含一些用 C 編寫的程式碼）。本文並不是對配置系統本身進行分析，而是介紹如何使用配置系統。所以，除非是設定係統的維護者，一般的核心開發者無須了解它們的原理，只需要知道如何寫 Makefile 和設定檔就可以。所以，在本文中，我們只對 Makefile 和設定檔進行討論。另外，凡是涉及到與具體 CPU 體系結構相關的內容，我們都以 ARM 為例，這樣不僅可以將討論的問題明確化，而且對內容本身不產生影響。

  • Makefile

  • Makefile概述

  • Makefile的作用是依照配置的情況，建構出需要編譯的原始檔列表，然後分別編譯，並把目標程式碼連結在一起，最終形成linux核心二進位。 
由於Linux核心原始碼是依照樹狀結構組織的，所以Makefile也被分佈在目錄樹中。 Linux核心中的Makefile以及Makefile直接相關的檔案有： 

 Makefile：頂層 Makefile，是整個核心配置、編譯的整體控制檔。 

######.config：核心設定文件，包含由使用者選擇的設定選項，用來存放核心配置後的結果（如 make config）。 ############arch/*/Makefile：位於各種 CPU 系統目錄下的 Makefile，例如 arch/arm/Makefile，是針對特定平台的 Makefile。 ############各子目錄下的 Makefile：例如 drivers/Makefile，負責所在子目錄下原始碼的管理。 ############Rules.make：規則文件，被所有的 Makefile 使用。 ############使用者透過 make config 設定後，產生了 .config。頂層 Makefile 讀入 .config 中的設定選擇。頂層 Makefile 有兩個主要的任務：產生 vmlinux 檔案和核心模組（module）。為了達到此目的，頂層 Makefile 遞歸的進入到核心的各個子目錄中，分別呼叫位於這些子目錄中的 Makefile。至於到底要進入哪些子目錄，取決於核心的配置。在頂層 Makefile 中，有一句：include arch/$(ARCH)/Makefile，包含了特定 CPU 體系結構下的 Makefile，這個 Makefile 中包含了平台相關的資訊。 ######位於各個子目錄下的Makefile 同樣也根據.config 給出的配置信息，構造出當前配置下需要的源文件列表，並在文件的最後有include $(TOPDIR)/Rules.make 。 ######Rules.make 檔案起著非常重要的作用，它定義了所有 Makefile 共用的編譯規則。例如，如果需要將本目錄下所有的 c 程式編譯成組譯程式碼，需要在 Makefile 中有以下的編譯規則：###

%.s: %.c
  (C#C##) #  (CFLAGS) -S #   e3f602526e88da917cf786397b7eed9c67859a528e5e9688f6a0ae3be0eab7d3@

有很多子目錄下都有同樣的要求，就需要在各自的Makefile 中包含此編譯規則，這會比較麻煩。而Linux 核心中則把此類的編譯規則統一放置到Rules.make 中，並在各自的Makefile 中包含進了Rules.make（include Rules.make），這樣就避免了在多個Makefile 中重複相同的規則。對於上面的例子，在 Rules.make 中對應的規則為：

%.s: %.c
    (CC)  (CFLAGS)     (EXTRACFLAGS)  (CFLAGS_     (∗F))  (CFLAGS_     @)−S  < -o $@

Makefile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, EXTRAVERSION，KERNELRELEASE。 版本信息定义了当前内核的版本，比如 VERSION=2，PATCHLEVEL=4，SUBLEVEL=18，EXATAVERSION=-rmk7，它们共同构成内核的发行版本KERNELRELEASE：2.4.18-rmk7

2） 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, SUBDIRS
TOPDIR 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 kernel drivers mm fs net ipc lib；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, LIBS
Linux 内核文件 vmlinux 是由以下规则产生的：

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 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
# 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） 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)gcc
LD              = $(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/Makefile
LINKFLAGS       :=-p -X -T arch/arm/vmlinux.lds

Rules.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_OBJS 中的 “X” 表明目标文件使用了 EXPORT_SYMBOL 输出符号。

O_TARGET，L_TARGET：每个子目录下都有一个 O_TARGET 或 L_TARGET，Rules.make 首先从源代码编译生成 O_OBJS 和 OX_OBJS 中所有的目标文件，然后使用 $(LD) -r 把它们链接成一个 O_TARGET 或 L_TARGET。O_TARGET 以 .o 结尾，而 L_TARGET 以 .a 结尾。

子目录Makefile

目录 Makefile 用来控制本级目录以下源代码的编译规则。我们通过一个例子来讲解子目录 Makefile 的组成：

# Makefile for the linux kernel.
#
# All of the (potential) objects that export symbols.
# This list comes from &#39;grep -l EXPORT_SYMBOL *.[hc]&#39;.
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) 注释 

对 Makefile 的说明和解释，由#开始。

b) 编译目标定义 

类似于 obj-(CONFIGTC)+=tc.o的语句是用来定义编译的目标，是子目录Makefile中最重要的部分。编译目标定义那些在本子目录下，需要编译到Linux内核中的目标文件列表。为了只在用户选择了此功能后才编译，所有的目标定义都融合了对配置变量的判断。前面说过，每个配置变量取值范围是：y，n，m和空，obj−(CONFIG_TC) 分别对应着 obj-y，obj-n，obj-m，obj-。如果 CONFIG_TC 配置为 y，那么 tc.o 就进入了 obj-y 列表。obj-y 为包含到 Linux 内核 vmlinux 中的目标文件列表；obj-m 为编译成模块的目标文件列表；obj-n 和 obj- 中的文件列表被忽略。配置系统就根据这些列表的属性进行编译和链接。

export-objs 中的目标文件都使用了 EXPORT_SYMBOL() 定义了公共的符号，以便可装载模块使用。在 tc.c 文件的最后部分，有 “EXPORT_SYMBOL(search_tc_card);”，表明 tc.o 有符号输出。 

这里需要指出的是，对于编译目标的定义，存在着两种格式，分别是老式定义和新式定义。老式定义就是前面 Rules.make 使用的那些变量，新式定义就是 obj-y，obj-m，obj-n 和 obj-。Linux 内核推荐使用新式定义，不过由于 Rules.make 不理解新式定义，需要在 Makefile 中的适配段将其转换成老式定义。

c) 适配段 

适配段的作用是将新式定义转换成老式定义。在上面的例子中，适配段就是将 obj-y 和 obj-m 转换成 Rules.make 能够理解的 L_TARGET，L_OBJS，LX_OBJS，M_OBJS，MX_OBJS。

L_OBJS := (sort(filter-out (export−objs),(obj-y))) 定义了 L_OBJS 的生成方式：在 obj-y 的列表中过滤掉 export-objs（tc.o），然后排序并去除重复的文件名。这里使用到了 GNU Make 的一些特殊功能，具体的含义可参考 Make 的文档（info make）。

d) include $(TOPDIR)/Rules.make

配置文件

配置文件功能概述

除了 Makefile 的编写，另外一个重要的工作就是把新功能加入到 Linux 的配置选项中，提供此项功能的说明，让用户有机会选择此项功能。所有的这些都需要在 config.in 文件中用配置语言来编写配置脚本，
在 Linux 内核中，配置命令有多种方式：

配置命令 解释脚本
Make Config，make oldconfig scripts/Configure
Make menuconfig scripts/Menuconfig
Make xconfig scripts/tkparse

以字符界面配置（make config）为例，顶层 Makefile 调用 scripts/Configure， 按照 arch/arm/config.in 来进行配置。命令执行完后产生文件 .config，其中保存着配置信息。下一次再做 make config 将产生新的 .config 文件，原 .config 被改名为 .config.old

实例

对于一个开发者来说，将自己开发的内核代码加入到 Linux 内核中，需要有三个步骤。首先确定把自己开发代码放入到内核的位置；其次，把自己开发的功能增加到 Linux 内核的配置选项中，使用户能够选择此功能；最后，构建子目录 Makefile，根据用户的选择，将相应的代码编译到最终生成的 Linux 内核中去。下面，我们就通过一个简单的例子–test driver，结合前面学到的知识，来说明如何向 Linux 内核中增加新的功能。

目录结构

test driver 放置在 drivers/test/ 目录下：

cddrivers/testtree

.
|– Config.in
|– Makefile
|– cpu
| |– Makefile
| -- cpu.c <br> |-- test.c <br> |-- test_client.c <br> |-- test_ioctl.c <br> |-- test_proc.c <br> |-- test_queue.c <br>– test
|– Makefile

配置文件

# TEST driver configuration
#
mainmenu_option next_comment
comment &#39;TEST Driver&#39;
bool &#39;TEST support&#39; CONFIG_TEST
if [ "$CONFIG_TEST" = "y" ]; then
  tristate &#39;TEST user-space interface&#39; CONFIG_TEST_USER
  bool &#39;TEST CPU &#39; CONFIG_TEST_CPU
fi
endmenu

由于 test driver 对于内核来说是新的功能，所以首先创建一个菜单 TEST Driver。然后，显示 “TEST support”，等待用户选择；接下来判断用户是否选择了 TEST Driver，如果是（CONFIG_TEST=y），则进一步显示子功能：用户接口与 CPU 功能支持；由于用户接口功能可以被编译成内核模块，所以这里的询问语句使用了 tristate（因为 tristate 的取值范围包括 y、n 和 m，m 就是对应着模块）。
2） arch/arm/config.in
在文件的最后加入：source drivers/test/Config.in，将 TEST Driver 子功能的配置纳入到 Linux 内核的配置中。

Makefile

1）drivers/test/Makefile

#       drivers/test/Makefile
#
#       Makefile for the TEST.
#
SUB_DIRS     :=
MOD_SUB_DIRS := $(SUB_DIRS)
ALL_SUB_DIRS := $(SUB_DIRS) cpu
L_TARGET := test.a
export-objs := test.o test_client.o
obj-$(CONFIG_TEST)              += test.o test_queue.o test_client.o
obj-$(CONFIG_TEST_USER)         += test_ioctl.o
obj-$(CONFIG_PROC_FS)           += test_proc.o
subdir-$(CONFIG_TEST_CPU)       += cpu
include $(TOPDIR)/Rules.make
clean:
        for dir in $(ALL_SUB_DIRS); do make -C $$dir clean; done
        rm -f *.[oa] .*.flags

drivers/test 目录下最终生成的目标文件是 test.a。在 test.c 和 test-client.c 中使用了 EXPORT_SYMBOL 输出符号，所以 test.o 和 test-client.o 位于 export-objs 列表中。然后，根据用户的选择（具体来说，就是配置变量的取值），构建各自对应的 obj-* 列表。由于 TEST Driver 中包一个子目录 cpu，当 CONFIG_TEST_CPU=y（即用户选择了此功能）时，需要将 cpu 目录加入到 subdir-y 列表中。 

2）drivers/test/cpu/Makefile

#       drivers/test/test/Makefile
#
#       Makefile for the TEST CPU 
#
SUB_DIRS     :=
MOD_SUB_DIRS := $(SUB_DIRS)
ALL_SUB_DIRS := $(SUB_DIRS)
L_TARGET := test_cpu.a
obj-$(CONFIG_test_CPU)       += cpu.o
include $(TOPDIR)/Rules.make
clean:
        rm -f *.[oa] .*.flags

3）drivers/Makefile

……
subdir-$(CONFIG_TEST)      += test
……
include $(TOPDIR)/Rules.make

在 drivers/Makefile 中加入 subdir-$(CONFIG_TEST)+= test，使得在用户选择 TEST Driver 功能后，内核编译时能够进入 test 目录。 

4）Makefile

……
DRIVERS-$(CONFIG_PLD) += drivers/pld/pld.o
DRIVERS-$(CONFIG_TEST) += drivers/test/test.a
DRIVERS-$(CONFIG_TEST_CPU) += drivers/test/cpu/test_cpu.a
DRIVERS := $(DRIVERS-y)
……

在顶层 Makefile 中加入 DRIVERS-(CONFIGTEST)+=drivers/test/test.a和DRIVERS−(CONFIGTEST)+=drivers/test/test.a。如何用户选择了 TEST Driver，那么 CONFIG_TEST 和 CONFIG_TEST_CPU 都是 y，test.a 和 test_cpu.a 就都位于 DRIVERS-y 列表中，然后又被放置在 DRIVERS 列表中。在前面曾经提到过，Linux 内核文件 vmlinux 的组成中包括 DRIVERS，所以 test.a 和 test_cpu.a 最终可被链接到 vmlinux 中。

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