讀核感悟-kbuild系統-make bzImage的過程

文章來源:http://www.top-e.org/jiaoshi/class/

 

從以上例子中可以看到,內核的編譯系統kbuild是個很龐大的系統。但是,它所使用的make和我們平時用的make是一模一樣的。kbuild只是通過預定義一些變量(obj-m,obj-y等等)和目標(bzImage ,menuconfig等等),使內核的編譯和擴展變得十分方便。我們不妨yy一下kbuild的一些功能:

1.考慮到Linux能夠方便地移植到各個硬件平臺,kbuild也必須很容易添加對某個新的平臺的支持,同時上層的Makefile不需要做大的改動。

2.Linux下有衆多驅動設備。它們的Makefile希望能夠儘可能簡潔。簡潔到只要指定要編譯的.o文件就行。(這方面kbuild定義了很多有用的變量如obj-m obj-y,<module>-objs等等,用戶只要爲這些變量賦值,kbuild會自動把代碼編譯到內核或者編譯成模塊)

3.要有方便的可定製性。很多參數可以讓用戶指定。這方面kbuild也提供了大量的變量如EXTRA_CFLAGS,用戶如果想include自己的頭文件或者加其它編譯參數,只要設置一下EXTRA_CFLAGS就可以。

4.有能力遞歸地調用Makefile。因爲內核是一個龐大的軟件。它的源代碼的目錄層次很深。要提供一種簡潔的機制,使上層的Makefile能方便地調用下層的Makefile。在這過程中,面向對象的思想也許值得借鑑。

5.在配置內核時,要提供友好的用戶界面。這方面kbuild也提供了不少工具,如常用的make menuconfig等等。

我們完全可以把kbuild想象成一個類庫,它爲普通的內核開發人員提供了接口(obj-m obj-y EXTRA_CFLAGS等等),爲用戶提供了定製工具(make menuconfig)

如果想了解kbuild的使用方法,可以參閱源代碼自帶的文檔:

Documentation/kbuild/makefiles.txt

Documentation/kbuild/modules.txt

一般情況下是不需要知道具體的編譯順序的。除了在個別情況下,如do_initcalls()中就和函數在.initcall.init section中的順序有關。不過喜歡尋根究底的我,還是想理一下編譯內核時幾個常用的命令,如make bzImage,make menuconfig等等,進而瞭解kbuild的架構。先看make bzImage吧。

它的大概脈絡是怎樣的呢?可以用以下命令查看。

make -n bzImage 

如果嫌內容太多,可以過濾掉多餘的信息:

make -n bzImage | grep “make -f”

可以猜到:

先作一些準備工作

make -f scripts/Makefile.build obj=scripts/basic

然後依次遞歸地調用源代碼中的Makefile

make -f scripts/Makefile.build obj=init

make -f scripts/Makefile.build obj=usr

make -f scripts/Makefile.build obj=arch/i386/kernel

make -f scripts/Makefile.build obj=arch/i386/kernel/acpi

make -f scripts/Makefile.build obj=arch/i386/kernel/cpu

make -f scripts/Makefile.build obj=arch/i386/kernel/cpu/cpufreq

make -f scripts/Makefile.build obj=arch/i386/kernel/cpu/mcheck

make -f scripts/Makefile.build obj=arch/i386/kernel/cpu/mtrr

make -f scripts/Makefile.build obj=arch/i386/kernel/timers

。。。

最後壓縮內核,生成bzImage

make -f scripts/Makefile.build obj=arch/i386/boot arch/i386/boot/bzImage

make -f scripts/Makefile.build obj=arch/i386/boot/compressed IMAGE_OFFSET=0x100000 arch/i386/boot/compressed/vmlinux

好,我們從頭開始。找make bzImage的入口:

第一反應,自然是在/usr/src/linux/Makefile中找

bzImage:

...

可惜沒找到。

不過沒關係,用lxr搜索一下,可知bzImage定義在arch/i386/Makefile,所以可以猜測,該makefile一定是被include了。果然,在/usr/src/linux/Makefile中有:

447 include $(srctree)/arch/$(ARCH)/Makefile

又因爲在arch/i386/Makefile中定義有

141 zImage bzImage: vmlinux

142         $(Q)$(MAKE) $(build)=$(boot) $(KBUILD_IMAGE)

其中這個$(build)定義在/usr/src/linux/Makefile中

1335 build := -f $(if $(KBUILD_SRC),$(srctree)/)scripts/Makefile.build obj

我們在之前查看make -n bzImage信息和之後會經常看到。我們會發現kbuild通常不會直接去調用某個目錄下的Makefile,而是讓該目錄作爲scripts/Makefile.build 的參數。scripts/Makefile.build 會對該目錄下的Makefile中的內容(主要是obj-m和obj-y等等)進行處理。由此看來 scripts/Makefile.build這個文件很重要。看看它做了什麼:

由於scripts/Makefile.build後面沒跟目標,所以默認爲第一個目標:

007 .PHONY: __build

008 __build:

009 

010 # Read .config if it exist, otherwise ignore

011 -include .config

012 

013 include $(if $(wildcard $(obj)/Kbuild), $(obj)/Kbuild, $(obj)/Makefile)

014 

015 include scripts/Makefile.lib

這裏可以看到,scripts/Makefile.build執行時會include .config文件。.config是make menuconfig後生成的內核配置文件。

裏面有如下語句:

CONFIG_ACPI_THERMAL=y

CONFIG_ACPI_ASUS=m

CONFIG_ACPI_IBM=m

。。。

以前我一直對它的格式表示奇怪,現在很清楚了,它們是作爲makefile的一部分,通過讀取CONFIG_XXX的值就可以知道他們是作爲模塊還是作爲內核的一部分而編譯的。

此外,還包含了$(obj)/Makefile。這就是通過在make時傳遞目錄名$(obj)間接調用Makefile的手法。對於內核普通代碼所對應的Makefile而言,裏面只是對obj-m obj-y,<module>-objs等變量進行賦值操作。

接下去是include scripts/Makefile.lib

。正如它的文件名所示,這類似於一個庫文件。它負責對obj-m obj-y,<module>-objs等變量進行加工處理。從中提取出subdir-ym等變量,這是個很重要的變量,記錄了需要遞歸調用的子目錄。以後遞歸調用Makefile全靠它了。這裏也充分體現了GNU make對字符串進行操作的強大功能。

回到Makefile.build。這時,重要變量$(builtin-target),$(subdir-ym)等都已經計算完畢。開始列依賴關係和具體操作了。

079 __build: $(if $(KBUILD_BUILTIN),$(builtin-target) $(lib-target) $(extra-y)) /

080          $(if $(KBUILD_MODULES),$(obj-m)) /

081          $(subdir-ym) $(always)

082         @:

$(builtin-target)是指當前目錄下的目標文件,即$(obj)/built-in.o

如前文所說,$(subdir-ym)用來遞歸調用子目錄的Makefile

306 # Descending

307 # ---------------------------------------------------------------------------

308 

309 .PHONY: $(subdir-ym)

310 $(subdir-ym):

311         $(Q)$(MAKE) $(build)=$@

通過這種方式,實現了對某個目錄及其子目錄的編譯。

分析完Makefile.build,回過頭來再看bzImage.從arch/i386/Makefile中可以看到,bzImage是在vmlinux基礎上加以壓縮拼接而成。從vmlinux到bzImage的過程在《讀核感悟-Linux內核啓動-內核的生成》中已經有介紹。現在看看vmlinux是如何生成的。

見/usr/src/linux/Makefile

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

729         $(call if_changed_rule,vmlinux__)

611 vmlinux-init := $(head-y) $(init-y)

612 vmlinux-main := $(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y)

613 vmlinux-all  := $(vmlinux-init) $(vmlinux-main)

614 vmlinux-lds  := arch/$(ARCH)/kernel/vmlinux.lds

vmlinux所依賴的目標$(vmlinux-lds) 是對arch/i386/kernel/vmlinux.lds.S進行預處理的結果:arch/i386/kernel/vmlinux.lds ,其它的依賴關係也都可以在/usr/src/linux/Makefile中查到。

所以,當用戶在源代碼目錄下執行make bzImage。make會檢查bzImage的依賴目標,然後不停地遞歸調用各個Makefile,最終生成一個bzImage文件。

如果我們換個角度,還可以歸納出不少有趣的東西。如果把make看成是一種腳本語言,那麼Makefile就是代碼。make就是解釋器。make裏也有函數,也有變量。通過定義目標,可以實現類似於函數的效果。而目標之間的依賴關係則類似於函數內部再調用其它函數。

如果我們考慮變量的作用域,還可以歸納出以下幾點:

1.Makefile內部定義的變量作用域只限於那個Makefile中,如obj-m。

2.要使變量的作用域擴展到整個make命令的執行過程(包括遞歸調用的其它Makefile),需要使用export命令。

調用Makefile的方式也有很多種:

1.一種是隱式調用,如運行make,它會自動在當前目錄尋找Makefile等。

2.一種是顯式調用,如用make -f指定。

3.一種是用include 來調用。

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