關(guān)于Linux 內(nèi)核配置系統(tǒng)淺析

隨著 Linux 操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，特別是 Linux 在嵌入式領(lǐng)域的發(fā)展，越來越多的人開始投身到 Linux 內(nèi)核級(jí)的開發(fā)中。面對(duì)日益龐大的 Linux 內(nèi)核源代碼，開發(fā)者在完成自己的內(nèi)核代碼后，都將面臨著同樣的問題，即如何將源代碼融入到 Linux 內(nèi)核中，增加相應(yīng)的 Linux 配置選項(xiàng)，并最終被編譯進(jìn) Linux 內(nèi)核。這就需要了解 Linux 的內(nèi)核配置系統(tǒng)。

眾所周知，Linux 內(nèi)核是由分布在全球的 Linux 愛好者共同開發(fā)的，Linux 內(nèi)核每天都面臨著許多新的變化。但是，Linux 內(nèi)核的組織并沒有出現(xiàn)混亂的現(xiàn)象，反而顯得非常的簡(jiǎn)潔，而且具有很好的擴(kuò)展性，開發(fā)人員可以很方便的向 Linux 內(nèi)核中增加新的內(nèi)容。原因之一就是 Linux 采用了模塊化的內(nèi)核配置系統(tǒng)，從而保證了內(nèi)核的擴(kuò)展性。

本文首先分析了 Linux 內(nèi)核中的配置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后，解釋了 Makefile 和配置文件的格式以及配置語(yǔ)句的含義，最后，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的例子--TEST Driver，具體說明如何將自行開發(fā)的代碼加入到 Linux 內(nèi)核中。在下面的文章中，不可能解釋所有的功能和命令，只對(duì)那些常用的進(jìn)行解釋，至于那些沒有討論到的，請(qǐng)讀者參考后面的參考文獻(xiàn)。

1. 配置系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

Linux內(nèi)核的配置系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分別是：

Makefile：分布在 Linux 內(nèi)核源代碼中的 Makefile，定義 Linux 內(nèi)核的編譯規(guī)則;

配置文件(cONfig.in)：給用戶提供配置選擇的功能;

配置工具：包括配置命令解釋器(對(duì)配置腳本中使用的配置命令進(jìn)行解釋)和配置用戶界面(提供基于字符界面、基于 Ncurses 圖形界面以及基于 Xwindows 圖形界面的用戶配置界面，各自對(duì)應(yīng)于 Make config、Make menuconfig 和 make xconfig)。

這些配置工具都是使用腳本語(yǔ)言，如 Tcl/TK、Perl 編寫的(也包含一些用 C 編寫的代碼)。本文并不是對(duì)配置系統(tǒng)本身進(jìn)行分析，而是介紹如何使用配置系統(tǒng)。所以，除非是配置系統(tǒng)的維護(hù)者，一般的內(nèi)核開發(fā)者無須了解它們的原理，只需要知道如何編寫 Makefile 和配置文件就可以。所以，在本文中，我們只對(duì) Makefile 和配置文件進(jìn)行討論。另外，凡是涉及到與具體 CPU 體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)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(duì)內(nèi)容本身不產(chǎn)生影響。

2. Makefile

2.1 Makefile 概述

Makefile 的作用是根據(jù)配置的情況，構(gòu)造出需要編譯的源文件列表，然后分別編譯，并把目標(biāo)代碼鏈接到一起，最終形成 Linux 內(nèi)核二進(jìn)制文件。

由于 Linux 內(nèi)核源代碼是按照樹形結(jié)構(gòu)組織的，所以 Makefile 也被分布在目錄樹中。Linux 內(nèi)核中的 Makefile 以及與 Makefile 直接相關(guān)的文件有：

Makefile：頂層 Makefile，是整個(gè)內(nèi)核配置、編譯的總體控制文件。

.config：內(nèi)核配置文件，包含由用戶選擇的配置選項(xiàng)，用來存放內(nèi)核配置后的結(jié)果(如 make config)。

arch/*/Makefile：位于各種 CPU 體系目錄下的 Makefile，如 arch/arm/Makefile，是針對(duì)特定平臺(tái)的 Makefile。

各個(gè)子目錄下的 Makefile：比如 drivers/Makefile，負(fù)責(zé)所在子目錄下源代碼的管理。

Rules.make：規(guī)則文件，被所有的 Makefile 使用。

用戶通過 make config 配置后，產(chǎn)生了 .config。頂層 Makefile 讀入 .config 中的配置選擇。頂層 Makefile 有兩個(gè)主要的任務(wù)：產(chǎn)生 vmlinux 文件和內(nèi)核模塊(module)。為了達(dá)到此目的，頂層 Makefile 遞歸的進(jìn)入到內(nèi)核的各個(gè)子目錄中，分別調(diào)用位于這些子目錄中的 Makefile。至于到底進(jìn)入哪些子目錄，取決于內(nèi)核的配置。在頂層 Makefile 中，有一句：include arch/$(ARCH)/Makefile，包含了特定 CPU 體系結(jié)構(gòu)下的 Makefile，這個(gè) Makefile 中包含了平臺(tái)相關(guān)的信息。

位于各個(gè)子目錄下的 Makefile 同樣也根據(jù) .config 給出的配置信息，構(gòu)造出當(dāng)前配置下需要的源文件列表，并在文件的最后有 include $(TOPDIR)/Rules.make。

Rules.make 文件起著非常重要的作用，它定義了所有 Makefile 共用的編譯規(guī)則。比如，如果需要將本目錄下所有的 c 程序編譯成匯編代碼，需要在 Makefile 中有以下的編譯規(guī)則：

%.s: %.c

$(CC) $(CFLAGS) -S $ -o $@

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(guī)則，這會(huì)比較麻煩。而 Linux 內(nèi)核中則把此類的編譯規(guī)則統(tǒng)一放置到 Rules.make 中，并在各自的 Makefile 中包含進(jìn)了 Rules.make(include Rules.make)，這樣就避免了在多個(gè) Makefile 中重復(fù)同樣的規(guī)則。對(duì)于上面的例子，在 Rules.make 中對(duì)應(yīng)的規(guī)則為：

%.s: %.c

$(CC) $(CFLAGS) $(EXTRA_CFLAGS) $(CFLAGS_$(*F)) $(CFLAGS_$@) -S $ -o $@

2.2 Makefile 中的變量

頂層 Makefile 定義并向環(huán)境中輸出了許多變量，為各個(gè)子目錄下的 Makefile 傳遞一些信息。有些變量，比如 SUBDIRS，不僅在頂層 Makefile 中定義并且賦初值，而且在 arch/*/Makefile 還作了擴(kuò)充。

常用的變量有以下幾類：

1) 版本信息

版本信息有：VERSION，PATCHLEVEL, SUBLEVEL, EXTRAVERSION，KERNELRELEASE。版本信息定義了當(dāng)前內(nèi)核的版本，比如 VERSION=2，PATCHLEVEL=4，SUBLEVEL=18，EXATAVERSION=-rmk7，它們共同構(gòu)成內(nèi)核的發(fā)行版本KERNELRELEASE：2.4.18-rmk7

2) CPU 體系結(jié)構(gòu)：ARCH

在頂層 Makefile 的開頭，用 ARCH 定義目標(biāo) CPU 的體系結(jié)構(gòu)，比如 ARCH:=arm 等。許多子目錄的 Makefile 中，要根據(jù) ARCH 的定義選擇編譯源文件的列表。

3) 路徑信息：TOPDIR, SUBDIRS

TOPDIR 定義了 Linux 內(nèi)核源代碼所在的根目錄。例如，各個(gè)子目錄下的 Makefile 通過 $(TOPDIR)/Rules.make 就可以找到 Rules.make 的位置。

SUBDIRS 定義了一個(gè)目錄列表，在編譯內(nèi)核或模塊時(shí)，頂層 Makefile 就是根據(jù) SUBDIRS 來決定進(jìn)入哪些子目錄。SUBDIRS 的值取決于內(nèi)核的配置，在頂層 Makefile 中 SUBDIRS 賦值為 kernel drivers mm fs net ipc lib;根據(jù)內(nèi)核的配置情況，在 arch/*/Makefile 中擴(kuò)充了 SUBDIRS 的值，參見4)中的例子。

4) 內(nèi)核組成信息：HEAD, CORE_FILES, NETWORKS, DRIVERS, LIBS