Arm Linux Kernel 构建 情景分析

时间：2021-07-31 08:06:47

概述

构建一个内核，一般是先配置，后编译。这里以构建 Nexus5 内核为例，代号为 hammerhead。

配置

通常做法是以厂商预置的配置为基础，根据自己需要进行配置。命令： 
make ARCH=arm hammerhead_defconfig

 

 
执行完毕后，"arch/arm/configs/hammerhead_defconfig" 文件会被复制到 ".config" ，作为默认配置。
然后运行以下命令根据自己需要进行配置： 
make ARCH=arm menuconfig

 

编译

通常，需要生成 zImage 和 内核模块。如果不指定目标，这两个都会默认生成。命令：
  1. # CROSS_COMPILE 的值根据自己情况设定 
    make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-androideabi-

     

这条命令做了什么呢，把 make 输出到控制台的信息贴出来（省略中间相似的信息）： 
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-androideabi- CONFIG_DEBUG_SECTION_MISMATCH=y
scripts/kconfig/conf --silentoldconfig Kconfig
WRAP arch/arm/include/generated/asm/auxvec.h
WRAP arch/arm/include/generated/asm/bitsperlong.h
WRAP arch/arm/include/generated/asm/cputime.h
...
WRAP arch/arm/include/generated/asm/siginfo.h
WRAP arch/arm/include/generated/asm/sizes.h
CHK include/linux/version.h
UPD include/linux/version.h
CHK include/generated/utsrelease.h
UPD include/generated/utsrelease.h
Generating include/generated/mach-types.h
CC kernel/bounds.s
GEN include/generated/bounds.h
CC arch/arm/kernel/asm-offsets.s
GEN include/generated/asm-offsets.h
CALL scripts/checksyscalls.sh
HOSTCC scripts/dtc/checks.o
HOSTCC scripts/dtc/data.o
...
HOSTCC scripts/conmakehash
HOSTCC scripts/recordmcount
CC init/main.o
CHK include/generated/compile.h
UPD include/generated/compile.h
CC init/version.o
CC init/do_mounts.o
CC init/do_mounts_rd.o
CC init/do_mounts_initrd.o
LD init/mounts.o
CC init/initramfs.o
CC init/calibrate.o
LD init/built-in.o
...
AR lib/lib.a
LD vmlinux.o
MODPOST vmlinux.o
GEN .version
CHK include/generated/compile.h
UPD include/generated/compile.h
CC init/version.o
LD init/built-in.o
LD .tmp_vmlinux1
KSYM .tmp_kallsyms1.S
AS .tmp_kallsyms1.o
LD .tmp_vmlinux2
KSYM .tmp_kallsyms2.S
AS .tmp_kallsyms2.o
LD vmlinux
SYSMAP System.map
SYSMAP .tmp_System.map
OBJCOPY arch/arm/boot/Image
Kernel: arch/arm/boot/Image is ready
AS arch/arm/boot/compressed/head.o
GZIP arch/arm/boot/compressed/piggy.gzip
AS arch/arm/boot/compressed/piggy.gzip.o
CC arch/arm/boot/compressed/misc.o
CC arch/arm/boot/compressed/decompress.o
CC arch/arm/boot/compressed/string.o
AS arch/arm/boot/compressed/lib1funcs.o
AS arch/arm/boot/compressed/ashldi3.o
LD arch/arm/boot/compressed/vmlinux
OBJCOPY arch/arm/boot/zImage
Kernel: arch/arm/boot/zImage is ready
DTC arch/arm/boot/msm8974-hammerhead-rev-11.dtb
DTC arch/arm/boot/msm8974-hammerhead-rev-11j.dtb
DTC arch/arm/boot/msm8974-hammerhead-rev-10.dtb
DTC arch/arm/boot/msm8974-hammerhead-rev-c.dtb
DTC arch/arm/boot/msm8974-hammerhead-rev-b.dtb
DTC arch/arm/boot/msm8974-hammerhead-rev-bn.dtb
DTC arch/arm/boot/msm8974-hammerhead-rev-a.dtb
DTC arch/arm/boot/msm8974-hammerhead-rev-f.dtb
CAT arch/arm/boot/zImage-dtb
Kernel: arch/arm/boot/zImage-dtb is ready
make[1]:没有什么可以做的为`arch/arm/boot/dtbs'。

 

 
简单分析一下，大致做了这么几件事情：
  1. 根据配置信息，生成了一些头文件
  2. 编译了一些小工具
  3. 根据配置信息，有选择性地编译一些源码，将输出的 obj 链接成对应的 built-in.o
  4. 生成符号表文件
  5. 将所有的 built-in.o 和符号表链接成内核 vmlinux
  6. 使用 BOJCOPY 从 vmlinux 生成 Image
  7. 生成压缩过的内核 arch/arm/boot/compressed/vmlinux
  8. 使用 OBJCOPY 从 压缩过的内核 vmlinux 生成 zImage
  9. 生成 dtb（device tree blob）
  10.  将 zImage 和 dtb 连接成一个文件：zImage-dtb
而我们最终需要的文件就是 zImage-dtb（注意：这里没有生成内核模块，因为所有的内核功能都被配置为 built-in ，编译进 zImage-dtb 了）。

要点分析

       内核配置和编译，依靠的是 make 和 kbuild 系统。无论是 make 还是 kbuild，都只是工具，我们并不一定要完全弄清其内部工作原理，只需要熟悉和工作相关的部分即可。
       这里涉及到的有如下几点：
  • vmlinux 的构建过程
  • arch/arm/boot/compressed/vmlinux 的构建过程
  • 源码是如何选择性地参与内核的构建的
       之所以要分析 vmlinux 和 arch/arm/boot/compressed/vmlinux ，是因为这个两个文件是最原始的两个可执行文件：Image 由 vmlinux 生成；zImage 由 arch/arm/boot/compressed/vmlinux 生成。分析这连个文件的生成，还有助于分析 linux 内核的启动过程。

基础

       vmlinux 是 makefile 中的一个目标。makefile 中的规则定义了目标和源码的关系，命令则定义了如何由源码生成目标，变量起辅助作用。规则、命令和变量是 makefile 的三大要素。 理清 makefile 规则中定义的依赖关系是分析构建过程的关键。涉及到的几个重要文件： 
Makefile
arch/arm/Makefile
arch/arm/boot/Makefile
arch/arm/mach-msm/Makefile.boot
arch/arm/compressed/Makefile


 

       vmlinux 是一个可执行程序，其链接过程必然涉及的链接脚本，链接脚本是做什么的？看看 ld 手册中的描述：
Arm Linux Kernel 构建 情景分析
通过 lds 文件，我们至少可以知道一个可执行程序的入口在哪里。
这里又要涉及到几个重要文件：
  
# 对应 vmlinux
arch/arm/kernel/vmlinux.lds


# 对应 /arch/arm/boot/compressed/vmlinux
arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds

 

       vmlinux 是一个可执行程序，由源码编译、链接而来。那么是哪些源码参与了构建过程，又是如何控制这些源码参与的？后面会分析。
        为了分析 makefile，这里借用了 UML 的概念。
        用 包 表示 makefile 文件；用 类 表示 目标和文件；用类间依赖表示目标的依赖；用组合表示变量的定义。
       下面是一个总图，表明了各个目标之间的依赖关系：
（红色边框是可执行程序，蓝色边框是对应的链接脚本）
Arm Linux Kernel 构建 情景分析
vmlinux 的构建过程

和 lds 文件的关系

​依赖链： 
_all->all->vmlinux->$(vmlinux-lds)=arch/arm/kernel/vmlinux.lds

从 _all 到 all：

PHONY += all
ifeq ($(KBUILD_EXTMOD),)
_all: all
else
_all: modules
endif

KBUILD_EXTMOD 只有在内核树外编译内核模块的时候才会定义 M 变量，从而给其赋值，否则为空，这里为空。

从 all 到 vmlinux： 
all: vmlinux

 

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

 

 
$(vmlinux-lds) 定义：
  
vmlinux-lds := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds

 

和源码的关系

​依赖链：
  
_all->all->vmlinux->$(vmlinux-init)+$(vmlinux-main)

 

看看这个：
  
# vmlinux
# ^
# |
# +-< $(vmlinux-init)
# | +--< init/version.o + more
# |
# +--< $(vmlinux-main)
# | +--< driver/built-in.o mm/built-in.o + more
# |
# +-< kallsyms.o (see description in CONFIG_KALLSYMS section)

 

关键部分上面已经列出，这里再次列出来：
  
vmlinux: $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) vmlinux.o $(kallsyms.o) FORCE

 

那么 $(vmlinux-init) 连个变量是什么呢？通过分析，第一次展开后为：“$(head-y) $(init-y)”。没有找到 $(head-y)，而 $(init-y) 最终展开为：init/built-in.o。
       到这里有点眉目了（回头看看 make 过程输出的信息，里面有大量的 built-in.o）。可以说是众多的 built-in.o构成了vmlinux。所以 vmlinux 和源码的关系转变成了 built-in.o 和源码的关系。
       还是看 make 的输出信息：
  
CC init/version.o
CC init/do_mounts.o
CC init/do_mounts_rd.o
CC init/do_mounts_initrd.o
LD init/mounts.o
CC init/initramfs.o
CC init/calibrate.o
LD init/built-in.o

 

可以推测：init/built-in.o 是由 init 目录下的 源码编译、链接而成。在 init 目录下发现 Makefile：
  
obj-y := main.o version.o mounts.o
ifneq ($(CONFIG_BLK_DEV_INITRD),y)
obj-y += noinitramfs.o
else
obj-$(CONFIG_BLK_DEV_INITRD)+= initramfs.o
endif
obj-$(CONFIG_GENERIC_CALIBRATE_DELAY)+= calibrate.o

mounts-y := do_mounts.o
mounts-$(CONFIG_BLK_DEV_RAM)+= do_mounts_rd.o
mounts-$(CONFIG_BLK_DEV_INITRD)+= do_mounts_initrd.o
mounts-$(CONFIG_BLK_DEV_MD)+= do_mounts_md.o

 

有内核开发经验的开发者应该知道，赋值到 obj-y 的目标会被编译进 vmlinux，至于是如何控制的，推测 kbuild 系统是有参与的，这属于 make 和 kubild 的内部原理，这里不分析了，知道有这么回事，会用就行了。$(CONFIG_BLK_DEV_INITRD) 等变量在 .config（没错，就是保存内核配置的文件） 文件中定义：
  
CONFIG_RELAY=y
CONFIG_BLK_DEV_INITRD=y
CONFIG_INITRAMFS_SOURCE=""

 

这里 vmlinux 和源码的关系就搞清了，是由 built-in.o 来当中间人的：
  
vmlinux<->built-in.o<->*.c

 

和符号表的关系

略。

arch/arm/boot/comressed/vmlinux 的构建过程

有了分析 vmlinux 的基础，分析压缩过的 vmlinux 就容易了。看 规则：
  
$(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.$(suffix_y).o \
$(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) $(lib1funcs) $(ashldi3) FORCE
@$(check_for_multiple_zreladdr)
$(call if_changed,ld)
@$(check_for_bad_syms)

 

参与压缩过的 vmlinux 的构建过程的主要有三类文件：
  • 链接脚本：arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds
  • 解压代码：arch/arm/boot/compressed/ 下的源码
  • 压缩的数据：压缩的 Image（由未经压缩的 vmlinux 生成）
因为解压缩功能和内核开发关系不大，就不具体分析了。
 


 

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