ARM linux解析之zImage镜像文件的生成

ARM linux解析之zImage镜像文件的生成

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最开始做个约定：存放linux代码的根目录我们叫做：linux_src，代码用linux-3.0.46进行分析。对于arm系统，$(SRCARCH) = ARM。

可能你会想，究竟linux如何编译生成它的压缩内核镜像zImage的呢？哈哈，下面就来做个解析。

当我们在linux_src目录下输入命令：

> make zImage

就会进入linux_src/makfile，然后找 zImage目标，这个目标在：

linux_src/makfile包含的：include $(srctree)/arch/$(SRCARCH)/Makefile 里面，

位于：linux_src/arch/arm/makfile里：

zImage Image xipImage bootpImage uImage: vmlinux

        $(Q)$(MAKE) $(build)=$(boot) MACHINE=$(MACHINE) $(boot)/$@

可以看到zImage 依赖于vmlinux，这里的vmlinux指的是linux_src/vmlinux，这是编译生成的linux内核的elf文件。那么vmlinux又是在哪生成的呢？请向下看：

它的生成规则在linux_src/makefile文件中，如下:

#vmlinux image - including updated kernel symbols

vmlinux: $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) vmlinux.o $(kallsyms.o) FORCE

ifdef CONFIG_HEADERS_CHECK

      $(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile headers_check

endif

ifdef CONFIG_SAMPLES

      $(Q)$(MAKE) $(build)=samples

endif

ifdef CONFIG_BUILD_DOCSRC

      $(Q)$(MAKE) $(build)=Documentation

endif

      $(call vmlinux-modpost)

      $(call if_changed_rule,vmlinux__)

      $(Q)rm -f .old_version

vmlinux的生成依赖于: $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) vmlinux.o $(kallsyms.o)，同样在linux_src/makefile文件中：

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

 

modpost-init := $(filter-out init/built-in.o, $(vmlinux-init))

vmlinux.o: $(modpost-init) $(vmlinux-main) FORCE

      $(call if_changed_rule,vmlinux-modpost)

 

kallsyms.o:= .tmp_kallsyms$(last_kallsyms).o

这里可以看到vmlinux就是由这些依赖文件通过arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds链接生成的，我就不再每往下解释了。

生成了linux_src/vmlinux之后，再回头看arch/arm/boot/compressed/Makefile文件中的：

zImage Image xipImage bootpImage uImage: vmlinux

        $(Q)$(MAKE) $(build)=$(boot) MACHINE=$(MACHINE) $(boot)/$@

其中$(build)在linux_src/scripts/kbuild.include:

###

# Shorthand for $(Q)$(MAKE) -f scripts/Makefile.build obj=

# Usage:

# $(Q)$(MAKE) $(build)=dir

build := -f $(if $(KBUILD_SRC),$(srctree)/)scripts/Makefile.build obj

因为 KBUILD_SRC 为空，srctree就是当前目录，故
build := -f ./scripts/Makefile.build obj

boot := arch/arm/boot

ifneq ($(machine-y),)

MACHINE  := arch/arm/mach-$(word 1,$(machine-y))/

else

MACHINE  :=

endif

machine-$(CONFIG_ARCH_EVB_ARM)      := evb_arm

Kconfig中：CONFIG_ARCH_EVB_ARM = y

所以对于我们的平台：

MACHINE  := arch/arm/mach-evb_arm

最开始的那一句最终解释为：

zImage: vmlinux

@make –f ./scripts/Makefile.build obj=arch/arm/boot MACHINE=arch/arm/mach-evb_arm arch/arm/boot/zImage

下面就是进入到linux_src/scripts/Makefile.build这个makefile文件中

src := $(obj)

kbuild-dir := $(if $(filter /%,$(src)),$(src),$(srctree)/$(src))

kbuild-file := $(if $(wildcard $(kbuild-dir)/Kbuild),$(kbuild-dir)/Kbuild,$(kbuild-dir)/Makefile)

include$(kbuild-file)

 

在这里：

src := $(obj) :=arch/arm/boot    //这个就是上一个makefile传下来的值

kbuild-dir := $(if $(filter /%,$(src)),$(src),$(srctree)/$(src))

//这句的意思是，如果src是以/开头的，则 kbuild-dir :=$(src),

如果不是的就等于kbuild-dir := $(srctree)/$(src)

这里 kbuild-dir := ./arm/arm/boot

kbuild-file := ./arch/arm/boot/Kbuild ./arch/arm/boot/Makefile

最后一句：

include ./arch/arm/boot/Kbuild ./arch/arm/boot/Makefile

可以看到这里是要包含linux_src/arch/arm/boot/Makefile 文件，果然在里面找到了我们要的目标：

$(obj)/zImage: $(obj)/compressed/vmlinux FORCE

$(call if_changed,objcopy)

@echo '  Kernel: $@ is ready'

再找$(obj)/compressed/vmlinux：

$(obj)/compressed/vmlinux: $(obj)/Image FORCE

$(Q)$(MAKE) $(build)=$(obj)/compressed $@

再接着找$(obj)/Image：

$(obj)/Image: vmlinux FORCE

$(call if_changed,objcopy)

@echo '  Kernel: $@ is ready'

到这里就可以知道了，哦，原来这个地方也是要vmlinux内核elf的啊，这就知道了，无论怎么样，vmlinux文件都要先生成，否则其他的文件都无法成生。下面来解释一下：

$(obj)/Image: vmlinux FORCE

$(call if_changed,objcopy)

@echo '  Kernel: $@ is ready'

这里的Image也就是linux_src/arch/arm/boot/Image，它的生成是通过把 linux_src/vmlinux这个elf文件用通过objcopy生成bin文件Image。然后：

$(obj)/compressed/vmlinux: $(obj)/Image FORCE

$(Q)$(MAKE) $(build)=$(obj)/compressed $@

这句和上面分析的类似，就是进入linux_src/arch/arm/boot/compress/mafile中生成:

arch/arm/boot/compress/vmlinux文件,如下：

$(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.$(suffix_y).o \

           $(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) $(lib1funcs) FORCE

      $(call if_changed,ld)

      @$(check_for_bad_syms)

 

HEAD   = head.o

OBJS    += misc.o decompress.o

 

$(obj)/piggy.$(suffix_y): $(obj)/../Image FORCE

      $(call if_changed,$(suffix_y))

$(obj)/piggy.$(suffix_y).o:  $(obj)/piggy.$(suffix_y) FORCE

 

$(obj)/vmlinux.lds: $(obj)/vmlinux.lds.in arch/arm/boot/Makefile $(KCONFIG_CONFIG)

      @sed "$(SEDFLAGS)" < $< > $@

 

插曲：关于if_changed的解释：

Kbuild.include:

# >'< substitution is for echo to work,

# >$< substitution to preserve $ when reloading .cmd file

# note: when using inline perl scripts [perl -e '...$$t=1;...']

# in $(cmd_xxx) double $$ your perl vars

make-cmd = $(subst \\,\\\\,$(subst \#,\\\#,$(subst $$,$$$$,$(call escsq,$(cmd_$(1))))))

 

# Find any prerequisites that is newer than target or that does not exist.

# PHONY targets skipped in both cases.

any-prereq = $(filter-out $(PHONY),$?) $(filter-out $(PHONY) $(wildcard $^),$^)

 

# Execute command if command has changed or prerequisite(s) are updated.

#

if_changed = $(if $(strip $(any-prereq) $(arg-check)),                       \

      @set -e;                                                             \

      $(echo-cmd) $(cmd_$(1));                                             \

      echo 'cmd_$@ := $(make-cmd)' > $(dot-target).cmd)

if_changed 函数在当发现规则的依赖有更新，或是目依赖不存在时，再或者是对应目标的命令行参数发生改变时($(strip $(any-prereq) $(arg-check)) 语句结果不为空)，执行后面的语句。

set -e 表示如果命令执行有错那么命令停止执行并退出。

接着 $(echo-cmd) 用来打印出相关的编译命令，接着执行 $(cmd_$(1) 里的命令。

最后 echo 'cmd_$@ := $(make-cmd)' > $(dot-target).cmd 将上面执行的命令写入一个叫 $(dot-target).cmd 的文件中，该文件为隐藏文件，在编译后的内核源码目录及其子目录下随处可见，比如在init/ 下可以看到 .initramfs.o.cmd， .version.o.cmd 等等。

那么而所有的命令测存在呢？答案是：scripts/Makefile.lib:

scripts/Makefile.build里面：include scripts/Makefile.lib

scripts/Makefile.lib:

# Objcopy

# ---------------------------------------------------------------------------

quiet_cmd_objcopy = OBJCOPY  $@

cmd_objcopy = $(OBJCOPY) $(OBJCOPYFLAGS) $(OBJCOPYFLAGS_$(@F)) $< $@

 

# Gzip

# ---------------------------------------------------------------------------

quiet_cmd_gzip = GZIP  $@

cmd_gzip = (cat $(filter-out FORCE,$^) | gzip -n -f -9 > $@) || (rm -f $@ ; false)

 

言归正传，回到上面：

$(obj)/piggy.$(suffix_y): $(obj)/../Image FORCE

      $(call if_changed,$(suffix_y))

$(obj)/piggy.$(suffix_y).o:  $(obj)/piggy.$(suffix_y) FORCE

这里的suffix_y在，arch/arm/boot/compressed:

suffix_$(CONFIG_KERNEL_GZIP) = gzip

suffix_$(CONFIG_KERNEL_LZO)  = lzo

suffix_$(CONFIG_KERNEL_LZMA) = lzma

CONFIG_KERNEL_GZIP=y 是在 init/Kconfig文件里选择的，menuconfig时配置，我们这里选gzip，则上面的过程为

使用 gzip 对arch/arm/boot/Image文件进行压缩，压缩成piggy.gzip。然后再生成piggy.gzip.o:

这个是通过 piggy.gzip.S文件生成的，内容如下：

      .section .piggydata,#alloc

      .globl   input_data

input_data:

      .incbin  "arch/arm/boot/compressed/piggy.gzip"

      .globl   input_data_end

input_data_end:

可以看到压缩后的内核文件piggy.gzip是以bin文件的形式编译成piggy.gzip.o的，并且注意这里的是放在.piggydata段中的，这个在arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds指定的。

内容如下：

  .text : {

    _start = .;

    *(.start)

    *(.text)

    *(.text.*)

    *(.fixup)

    *(.gnu.warning)

    *(.rodata)

    *(.rodata.*)

    *(.glue_7)

    *(.glue_7t)

    *(.piggydata)

    . = ALIGN(4);

  }

是放在.text段的最后的，并且input_data和input_data_end 包含里他们的起止地址。

最后是arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds文件的生成，这个是以arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in为蓝本，只是修改了

  . = TEXT_START;

这个是在arch/arm/boot/compressed/Makefile中

SEDFLAGS = s/TEXT_START/$(ZTEXTADDR)/;s/BSS_START/$(ZBSSADDR)/

$(obj)/vmlinux.lds: $(obj)/vmlinux.lds.in arch/arm/boot/Makefile $(KCONFIG_CONFIG)

      @sed "$(SEDFLAGS)" < $< > $@

 

ifeq ($(CONFIG_ZBOOT_ROM),y)

ZTEXTADDR     := $(CONFIG_ZBOOT_ROM_TEXT)

ZBSSADDR := $(CONFIG_ZBOOT_ROM_BSS)

else

ZTEXTADDR     := 0

ZBSSADDR := ALIGN(8)

endif

就是：TEXT_START = $(ZTEXTADDR)   BSS_START = $(ZBSSADDR)

如果内枋是在nor flash中运行的，则选第一个，这时CONFIG_ZBOOT_ROM这个变量会定义，在RAM中运行的话，选第二个。在RAM中运行的代码是被编译成与位置无关的，所以可以加载到任何地方运行。

所以合起来的解释是：

      通过以下规则，最终生成arch/arm/boot/compress/vmlinux

$(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.$(suffix_y).o \

           $(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) $(lib1funcs) FORCE

      $(call if_changed,ld)

      @$(check_for_bad_syms)

这个arch/arm/boot/compressed/vmlinux和前面的根目录下生成的vmlinux都是elf文件，但是却不是同一个东西。它是包令里解压用的头文件head.s, 解压程序misc.c，decompress.c的，再加入压缩内核的elf文件，是可以通过trace32加载运行的。

下面是最后一步：

$(obj)/Image: vmlinux FORCE

$(call if_changed,objcopy)

@echo '  Kernel: $@ is ready'

这个时候再把arch/arm/boot/compressed/vmlinux通过objcopy生成bin文件zImage，到这里，zImage文件生成完毕。

最后用个图表示一下整个zImage的生成过程：

图1.ARM linux的zImage生成过程