[系统运维]Linux应用编程（二十四）——Linux内核移植（内核源码结构及Makefile分析）

内核源码结构

Linux内核文件数目将近2万个，除去其他架构CPU的相关文件，支持S3C2410，S3C2440这两款芯片的完整内核文件有1万多个。这些文件的组织结构并不复杂，它们分别位于顶层目录下的17个子目录，各个目录功能独立。如下表

对于ARM架构的S3C2410，S3C2440，其体系相关的代码在arch/arm目录下，在后面进行Linux移植时，开始的工作正是修改这个目录下的文件。如下图所示为内核代码的层次结构。
有点长，给大家展示参考书籍的原图

Linux Makfile分析

内核中的那些文件将被编译？它们是怎样被编译的？它们连接时的顺序如何确定？那个文件在最前面？那些文件或函数先执行？这些都是通过Makefile来管理的。从最简单的角度来总结Makefile的作用，有以下3点。

1. 决定编译那些文件
2. 怎样编译这些文件
3. 怎样连接这些文件，最重要的是它们的顺序如何？
   Linux内核源码中含有很多个Makefile文件，这些Makefile文件又要包含其他一些文件（比如配置信息，通用规则等。）这些文件构成了Linux的Makefile体系，可以分为如下五类

内核文档Documentation/kbuild/makefiles.txt对内核中Makefile的作用，用法讲解得非常透彻，以下根据前面总结的Makefile的3大作用分析这5类文件。

决定编译那些文件

Linux内核的编译过程从顶层Makefile开始，然后递归地进入各级子目录调用它们的Makefile，分为3个步骤。

1. 顶层Makefile决定内核根目录下那些子目录将被编进内核。
2. arch/$ (ARCH)/Makefile决定arch/$ (ARCH)目录下那些文件，那些目录将被编译到内核。
3. 各级子目录下的Makefile决定所在目录下那些文件将被编进内核，那些文件将被编成模块（即驱动程序），进入那些子目录继续调用它们的Makefile。

先看步骤1，在顶层Makefile中可以阿看到如下内容
可见，顶层Makefile将这13个子目录分为5类；init-y、drivers-y、net-y、libs-y和core-y。上面的表格中有17个子目录，除去include目录和后面两个不包含内核代码的目录外，还有一个arch目录没有出现在内核中。它在arch/$(ARCH)/Makefile中被包含进内核，在顶层Makefile中直接包含了这个Makefile，如下：
对于ARCH变量，可以在执行make命令时传入，比如“make ARCH=arm …”。另外，对于非X86平台，还需要指定交叉编译工具，这也可以在执行make命令时传入，比如“make CROSS_COMPILE=arm-linux…”。为了方便，常在顶层Makefile中进行如下修改。
修改前：
修改后：
对于步骤2的 arch/ $(ARCH)/Makefile,以ARM体系为例，在arch/arm/Makefile中可以看到如下内容：
从第94行可知，除前面的5类子目录外，又出现了另一类：head-y，不过它直接以文件名出现。MMUEXT在arch/arm/Makefile前面定义，对于没有MMU的处理器。MMUEXT的值为-nommu，使用文件head-nommu.S；对于有MMU的处理器，MMUEXT的值为空，使用文件head.S。
arch/arm/Makefile/中类似第171，172，173行的代码进一步扩展了core-y的内容，第191行扩展了libs-y的内容，这些都是体系结构相关的目录。第173~175行中的CONFIG_ARCH_S3C2410在配置内核时定义，它的值有3种：y、m或空。y表示编进内核，m表示编进模块，空表示不使用。
编译内核时，将依次进入init-y、core-y、libs-y、drivers-y和net-y所列出的目录中执行它们的Makefile，每个子目录都会生成一个built-in.o（libs-y所列目录下，有可能生成lib.a文件）。最后，head-y所表示的文件将和这些built-in.o、lib.a一起被连接成内核映象文件vmlinux。
最后，看一下步骤3是怎么进行的。
在配置内核时，生成配置文件.config（具体的配置过程在后面进行讲解）。内核顶层Makefile使用如下语句间接包含.config文件，以后就根据.config中定义的各个变量决定编译那些文件。之所以说是"间接"包含，是因为包含的是include/config/auto.conf文件，而它只是将.config文件中的注释去掉，并根据顶层Makefile中定义的变量增加一些变量而已。
include/config/auto.conf文件的生成过程不再描述，它与.config的格式相同，摘选部分内容如下（注意，下面以“#”开头的行是本书加的注释）：

CONFIG_ARCH_SMDK2410=y
CONFIG_ARCH_S3C2440=y
# .config中没有下面这行，它是根据顶层Makefile中定义的内核版本号增加的
CONFIG_KERNELVERSION="2.6.22"
#.config中没有下面这行，它是根据顶层Makefile中定义的ARCH变量增加的。
CONFIG_ARCH="arm"
CONFIG_JFFS2_FS=y
CONFIG_LEDS_S3C24XX=m

在include/config/auto.conf文件中，变量的值主要有两类：“y"和"m”。各级子目录的Makefile使用这些变量来决定那些文件被编进内核中，那些文件被编成模块（即驱动程序），要进入那些下一级子目录继续编译，这通过以下4种方法来确定（obj-y,obj-m,lib-y是Makefile中的变量）

obj-y用来定义那些文件被编进（built-in）内核。

obj-y中定义的.o文件由当前目录下的.c或.S文件编译生成，它们连同下级子目录的built-in.o文件一起被组合成（使用"$(LD) -r"命令）当前目录下的built-in.o文件。这个built-in.o文件将被它的上一层Makefile使用。
obj-y中各个.o文件的顺序是有意义的，因为内核中用module_init()或__initcall定义的函数将按照它们的连接顺序被调用。

例1

当下面的CONFIG_ISDN、CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP在.config中被定义为y时，isdn.c或isdn.S，isdn_bsdcomp.c或isdn_bsdcomp.S被编译成isdn.o、isdn_bsdcomp.o。这两个.o文件被组合进built-in.o文件中，最后被连接进入内核。假如isdn.o、isdn_bsdcomp.o中分别用module_init(A)、module_init(B)定义了函数A、B,则内核启动时A先被调用，然后是B。

obj-$(CONFIG_ISDN)			+=isdn.o
obj-$(CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP)	+=isdn_bsdcomp.o

obj-m用来定义那些文件被编译成可加载模块（Loadable module）

obj-m中定义的.o文件由当前目录下的.c或.S文件编译生成，它们不会被编进built-in.o中，而是被编成可加载模块。
一个模块可以由一个或几个.o文件组成。对于只有一个源文件的模块，在obj-m中直接增加它的.o文件即可。对于有多个源文件的模块，除在obj-m中增加一个.o文件外，还定义一个< module_name >-objs变量来告诉Makefile这个.o文件由那些文件组成。

例2

当下面的CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP在.config文件中被定义为m时，isdn_bsdcomp.c或isdn_bsdcomp.S将被编译成isdn_bsdcomp.o文件，它最后被制作成isdn_bsdcomp.ko模块，如下所示

#drivers/isdn/i41/Makefile
obj-$(CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP) +=isdn_bsdcomp.o

例3

当下面的CONFIG_ISDN在.config文件中被定义为m时，将会生成一个isdn.o文件，它由isdn-objs中定义的isdn_net_lib.o、isdn_v110.o、isdn_common.o等3个文件组合而成。isdn.o最后被制作成isdn.ko模块。

#drivers/isdn/i41/Makefile
obj-$(CONFIG_ISDN) +=isdn.o
isdn_objs :=isdn_net_lib.o isdn_v110.o isdn_common.o

lib-y用来定义那些文件被编成库文件

lib-y中定义的.o文件由当前目录下的.c或.S文件编译生成，它们被打包成当前目录下的一个库文件：lib.a。
同时出现在obj-y,lib-y中的.o文件，不会被包含进lib.a中。
要把这个lib.a编进内核中，需要在顶层Makefile中libs-y变量中列出当前目录。要编成库文件的内核代码一般都在这两个目录下：lib/、arch/$(ARCH)/lib/。

obj-y、obj-m还可以用来指定要进入的下一层目录。

Linux中一个Makefile文件只负责生成当前目录下的目标文件，子目录下的目标文件由子目录的Makefile生成。Linux的编译系统会自动进入这些子目录调用它们的Makefile，只是在这之前指定这些子目录。
这里要用到obj-y,obj-m，只要在其中增加这些子目录名即可。

例4

fs/Makefile中有如下一行，当CONFIG_JFFS2_FS被定义为y或m时，在编译时将会进入jffs2/目录进行编译。Linux的编译系统只会根据这些信息决定是否进入下一级目录，而下一级目录中的文件如何编译成built-in.o或模块由它的Makefile决定。

怎样编译这些文件

即编译选项，连接选项是什么，这些选项分3类：全局的，适用于整个内核代码树；局部的，仅适用于某个Makefile中的所有文件；个体的，仅适用于某个文件。
全局选项在顶层Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile中定义，这些选项的名称为：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。
需要使用局部选项时，它们在各个子目录下定义，名称为：EXTRA_CFLAGS、EXTRA_AFLAGS、EXTRA_LDFLAGS、EXTRA_ARFLAGS,它们的用途与前述选项相同，只是使用范围比较小，它们针对当前Makefile中的所有文件。
另外，如果想针对某个文件定义它的编译选项，可以使用CFLAGS_ $@、AFLAGS_ $@。前者用于编译某个C文件，后者用于编译某个汇编文件。 $@表示某个目标文件名。比如以下代码表示编译ahal152x.c时，选项中要额外加上“-DAHA152X_STAT-DAUTOCONF”。

#drivers/scsi/Makefile
CFLAGS_ahal152x.o	=	-DAHA152X_STAT 	-DAUTOCONF

需要注意的是，这3类选项是一起使用的，在scripts/Makefile.lib中可以看到。

_c_flags	=$(CFLAGS) $(EXTRA_CFLAGS) $(CFLAGS_$(basetarget).o)

怎样连接这些文件，它们的顺序如何。

前面分析有那些文件要编译进内核时，顶层Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile定义了6类目录（或文件）：head-y、init-y、drivers-y、net-y、libs-y和core-y。它们的初始值如下（以ARM体系为例）
arch/arm//Makfile中

顶层Makefile中

可见，除head-y,其余的init-y,drivers-y等都是目录名。在顶层Makefile中，这些目录名的后面直接加上built-in.o或lib.a，表示要连接进内核的文件，如下所示

上面的patsubst是个字符串处理函数，它的用法如下：

$(patsubst pattern ,replacement, text)

表示寻找“text”中符合格式“pattern”的字，用“replacement”替换它们。比如上面的init-y初值为“init/”,经过第567行的交换后，“init-y”变为"init/built-in.o"。
顶层Makefile中，再往下看。

第604行的vmlinux-all表示所有构成内核映象文件vmlinux的目标文件，从602~604行可知这些目标文件的顺序为：head-y、init-y、core-y、libs-y、drivers-y、net-y、即arch/arm/kernel/head.o(假设有MMU，否则为head-nommu.o)、arch/arm/kernel/init_task.o、init/built-in.o、usr/built-in.o等。
第605行表示连接脚本为arch/$(ARCH)/kernel/vmlinux.lds。对于ARM体系，连接脚本就是arch/arm/kernel/vmlinux.lds,它由arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S文件生成，规则再scripts/Makefile.build中，如下所示：
现将生成的arch/arm/kernel/vmlinux.lds摘录如下

总结

下面对Makefile的结果进行一下总结。

1. 配置文件.config中定义了一系列的变量，Makefile将结合它们来决定那些文件被编进内核、那些文件被编成模块、涉及那些子目录。
2. 顶层Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile决定根目录下那些子目录、arch/ $(ARCH)目录下那些文件和目录将被编进内核。
3. 最后，各级子目录下的Makefile决定所在目录下那些文件将被编进内核，那些文件将被编成模块（即驱动程序），进入那些子目录继续调用它们的Makefile。
4. 顶层Makefile和arch/ $(ARCH)/Makefile设置了可以影响所有文件的编译，连接选项：CFLAGS,AFLAGS,LDFLAGS,ARFLAGS.
5. 各级子目录下的Makefile中可以设置能够影响当前目录下所有文件的编译，连接选项；EXTRA_CFLAGS,EXTRA_AFLAGS,EXTRA_LDFLAGS,EXTRA_ARFLAGS；还可以设置可以影响某个文件的编译选项：CFLAGS_$@,AFLAGS_ $@。
6. 顶层Makefile按照一定的顺序组织文件，根据连接脚本arch/$ (ARCH)/kernel/vmlinux.lds生成内核映象文件vmlinux。