內容來自 韋東山《嵌入式Linux應用開發完全手冊》
一、內核介紹
1、版本及其特點
Linux內核的版本號可以從源代碼的頂層目錄下的Makefile中看到，比如下面幾行它們構成了Linux的版本號：2.6.22.6。
VERSION=2
PATCHLEVEL=6SUBLEVEL =22
EXTRAVERSION=.6
其中的“VERSION”和“PATCHLEVEL”組成主版本號，比如2.4、2.5、2.6等，穩定版本的主版本號用偶數表示（比如2.4、2.6），每隔2~3年出現一個穩定版本。開發中的版本號用奇數來表示（比如2.3、2.5），它是下一個穩定版本的前身。
“SUBLEVEL”稱爲次版本號，它不分奇偶，順序遞增。每隔1~2個月發佈一個穩定版本。
“EXTRAVERSION”稱爲擴展版本號，它不分奇偶，順序遞增。每週發佈幾次擴展版本號，修正最新的穩定版本的問題。值得注意的是，“EXTRAVERSION”也可以不是數字，而是類似“-rc6”的字樣，表示這是一個測試版本。在新的穩定版本發佈之前，會先發布幾個測試版本用於測試。
Linux內核的最初版本在1991年發佈，這是Linus Torvalds爲他的386開發的一個類Minix的操作系統。
2、獲取內核源碼
登錄https://www.kernel.org/，可以看到如下：
上面列舉了當前內核的最新穩定版本、測試版本、補丁等。
一般而言，各種補丁文件都是基內核的某個正式版本生成的。比如有補丁文件patch-2.6.xx.1、patch-2.6.xx.2、patch-2.6.xx.3，它們都是基於內核2.6.xx生成的補丁文件。使用時可以在內核2.6.xx上直接打補丁patch-2.6.xx.3，並不需要先打上補丁patch-2.6.xx.1、patch-2.6.xx.2；相應地，如果已經打了補丁patch-2.6.xx.2，在打補丁patch-2.6.xx.3前，要先去除patch-2.6.xx.2。
本書在Linux2.6.22.6上進行移植、開發，下載linux-2.6.22.6.tar.bz2後用如下命令解壓即可得到目錄linux-2.6.22.6，裏面存放了內核源碼：
$ tar xjf linux-2.6.22.6.tar.bz2
也可以先下載內核源文件linux-2.6.22.tar.bz2、補丁文件patch-2.6.22.6.bz2，然後解壓、打補丁（假設源文件、補丁文件放在同一個目錄下），命令如下所示：
tar xjf linux-2.6.22.tar.bz2
tar xjf patch-2.6.22.6.bz2
cd linux-2.6.22
patch -pl < ../patch-2.6.22.6
下面的內容，都假設內核源碼所在目錄爲linux-2.6.22.6。
3、內核源碼結構
Linux內核文件數目將近2萬，除去其他架構CPU的相關文件，支持S3C2410、S3C2440這兩款芯片的完整內核文件有1萬多個。這些文件的組織結構並不複雜，它們分別位於頂層目錄下的17個子目錄，各個目錄功能獨立。下表描述了各目錄的功能，最後2個目錄不包含內核代碼。
表1
| 目錄名 | 描述 |
| arch | 體系結構相關的代碼，對於每個架構的CPU，arch目錄下都有一個對應的子目錄，比如arch/arm/、arch/i386/ |
| block | 塊設備的通用函數 |
| crypto | 常用加密和散列算法（如AES、SHA等），還有一些壓縮和CRC校驗算法 |
| drivers | 所有的設備驅動程序，裏面每一個子目錄對應一類驅動程序，比如drivers/block/爲塊設備驅動程序，drivers/char/爲字符設備驅動程序，drivers/mtd/爲NOR Flash、NAND Flash等存儲設備的驅動程序 |
| fs | Linux支持的文件系統的代碼，每個子目錄對應一種文件系統，比如fsjffs2/、fs/ext2/、fs/ext3/ |
| include | 內核頭文件，有基本頭文件（存放在include/linux/目錄下）、各種驅動或功能部件的頭文件（比如include/media/、include/mtd/、include/net/）、各種體系相關的頭文件（比如include/asm-arm/、include/asm-i386/）。當配置內核後，include/asm/是某個include/asm-xxx/（比如include/asm-arm/）的鏈接 |
| init | 內核的初始化代碼（不是系統的引導代碼），其中的main.c文件中的start_kernel函數是內核引導後運行的第一個函數 |
| ipc | 進程間通信的代碼 |
| Kermel | 內核管理的核心代碼，與處理器相關的代碼位於arch/*/kemel/目錄下 |
| lib | 內核用到的一些庫函數代碼，比如crc32.c、string.c，與處理器相關的庫函數代碼位於arch/*/lib/目錄下 |
| mm | 內存管理代碼，與處理器相關的內存管理代碼位於arch/*/mm/目錄下 |
| net | 網絡支持代碼，每個子目錄對應於網絡的一個方面 |
| security | 安全、密鑰相關的代碼 |
| sound | 音頻設備的驅動程序 |
| usr | 用來製作一個壓縮的cpio歸檔文件：initrd的鏡像，它可以作爲內核啓動後掛接（mount）的第一個文件系統（一般用不到） |
| Documentation | 內核文檔 |
| scripts | 用於配置、編譯內核的腳本文件 |
對於ARM架構的S3C2410、S3C2440，其體系相關的代碼在arch/arm/目錄下，在後面進行Linux移植時，開始的工作正是修改這個目錄下的文件。如下圖所示爲內核代碼的層次結構。
二、Makefile分析
Makefile的作用主要有以下3點：
（1）決定編譯哪些文件。
（2）怎樣編譯這些文件？
（3）怎樣連接這些文件，最重要的是它們的順序如何？
Linux內核源碼中含有很多個Makefile文件，這些Makefile文件又要包含其他一些文件（比如配置信息、通用的規則等）。這些文件構成了Linux的Makefile體系，可以分爲下表中的5類。
| 名稱 | 描述 |
| 頂層Makefile | 它是所有Makefile文件的核心，從總體上控制着內核的編譯、連接 |
| .config | 配置文件，在配置內核時生成。所有Makefile文件（包括頂層目錄及各級子目錄）都是根據.config來決定使用哪些文件 |
| arch/$(ARCH)/Makefile | 對應體系結構的Makefile，它用來決定哪些體系結構相關的文件參與內核的生成，並提供一些規則來生成特定格式的內核映象 |
| scripts/Makefile.* | Makefile共用的通用規則、腳本等 |
| kbuild Makefiles | 各級子目錄下的Makefile，它們相對簡單，被上一層Makefile 調用來編譯當前目錄下的文件 |
內核文檔Documentation/kbuild/makefiles.txt對內核中Makefile的作用、用法講解得非常透徹，以下根據前面總結的Makefile的3大作用分析這5類文件。
1、決定編譯哪些文件
Linux內核的編譯過程從頂層Makefile開始，然後遞歸地進入各級子目錄調用它們的Makefile，分爲3個步驟。
（1）頂層Makefile決定內核根目錄下哪些子目錄將被編進內核。
（2）arch/$(ARCH)/Makefile 決定arch/$(ARCH)目錄下哪些文件、哪些目錄將被編進內核。
（3）各級子目錄下的Makefile決定所在目錄下哪些文件將被編進內核，哪些文件將被編成模塊（即驅動程序），進入哪些子目錄繼續調用他們的Makefile。
（1）步驟1
先看步驟（1），在頂層Makefile中可以看到如下內容：
433 init-y :=init/
434 drivers-y :=drivers/sound/
435 net-y :=net/
436 libs-y :=lib/
437 core-y :=usr/
...
556 core-y +=kernel/mm/fs/ipc/security/crypto/block/
可見，頂層Makefile將這13個子目錄分爲5類：init-y、drivers-y、net-y、libs-y和core-y。表1中有17個子目錄，除去include目錄和後面兩個不包含內核代碼的目錄外，還有一個arch目錄沒有出現在內核中。它在arch/$(ARCH)/Makefile中被包含進內核，在頂層Makefile中直接包含了這個Makefile，如下所示：
491 include $(srctree)/arch/$(ARCH)/Makefile
對於ARCH變量，可以在執行make命令時傳入，比如“make ARCH=arm …”。另外，對於非x86平臺，還需要指定交叉編譯工具，這也可以在執行make命令時傳入，比如“make CROSS_COMPILE=arm-linux- …”。爲了方便，常在頂層Makefile中進行如下修改。
修改前：
185 ARCH ?= &(SUBARCH)
186 CROSS_COMPILE ?=
修改後：
185 ARCH ?=arm
186 CROSS_COMPILE ?=arm-linux-
（2）步驟2
對於步驟（2）的arch/$(ARCH)/Makefile，以ARM體系爲例，在arch/arm/Makefile中可以看到如下內容：
94 head-y :=arch/arm/kernel/head$(MMUEXT).o arch/arm/kernel/init_task.o
...
171 core-y +=arch/arm/kernel/ arch/arm/mm/ arch/arm/common/
172 core-y +=$(MACHINE)
173 core-$(CONFIG_ARCH_S3C2410) += arch/arm/mach-s3c2400/
174 core-$(CONFIG_ARCH_S3C2410) += arch/arm/mach-s3c2412/
175 core-$(CONFIG_ARCH S3C2410) += arch/arm/mach-s3c2440/
...
191 1ibs-y := arch/arm/lib/ $(libs-y)
...
從第94行可知，除前面的5類子目錄外，又出現了另一類：head-y，不過它直接以文件名出現。MMUEXT在arch/arm/Makefile前面定義，對於沒有MMU的處理器，MMUEXT的值爲-nommu，使用文件head-nommu.S；對於有MMU的處理器，MMUEXT的值爲空，使用文件head.S。
arch/arm/Makefile中類似第171、172、173行的代碼進一步擴展了core-y的內容，第191行擴展了libs-y的內容，這些都是體系結構相關的目錄。
第173~175行中的CONFIG_ARCH_S3C2410在配置內核時定義，它的值有3種：y、m或空。y表示編進內核，m表示編爲模塊，空表示不使用。
編譯內核時，將依次進入init-y、core-y、libs-y、drivers-y和net-y所列出的目錄中執行它們的Makefile，每個子目錄都會生成一個built-in.o（libs-y所列目錄下，有可能生成lib.a文件）。最後，head-y所表示的文件將和這些built-in.o、lib.a一起被連接成內核映象文件vmlinux。
（3）步驟3
最後，看一下步驟（3）是怎麼進行的。
在配置內核時，生成配置文件.config（具體的配置過程在後面會講述）。內核頂層Makefile 使用如下語句間接包含.config文件，以後就根據.config中定義的各個變量決定編譯哪些文件。之所以說是“間接”包含，是因爲包含的是include/config/auto.conf文件，而auto.conf文件只是將.config文件中的註釋去掉，再根據頂層Makefile中定義的變量增加了一些變量而已。
441 #Read in config
442 -include include/config/auto.conf
include/config/auto.conf文件的生成過程不再描述，它與.config的格式相同，摘選部分內容如下（注意，下面以“#”開頭的行是本書加的註釋）：
CONEIG_ARCH_SMDK2410=y
CONFIG_ARCH_S3C2440=y
#.config中沒有下面這行，它是根據頂層Makefile中定義的內核版本號增加的
CONFIG_KERNELVERSION="2.6.22.6"
#.config中沒有下面這行，它是根據頂層Makefile中定義的ARCH變量增加的
CONFIG_ARCH="arm"
CONFIG_JFFS2_FS=y
CONFIG_LEDS_S3C24XX=m
在include/config/auto.conf文件中，變量的值主要有兩類：“y”和“m”。各級子目錄的Makefile使用這些變量來決定哪些文件被編進內核中，哪些文件被編成模塊（即驅動程序），要進入哪些下一級子目錄繼續編譯，這通過以下4種方法來確定（obj-y、obj-m、lib-y是Makefile中的變量）。
（1）obj-y用來定義哪些文件被編進（built-in）內核。
obj-y中定義的.o文件由當前目錄下的.c或.S文件編譯生成，它們連同下級子目錄的built-in.o文件一起被組合成（用“$(LD) -r”命令）當前目錄下的built-in.o文件。這個built-in.o文件將被它的上一層Makefile使用。
obj-y中各個.o文件的順序是有意義的，因爲內核中用module_init()或__initcall定義的函數將按照它們的連接順序被調用。
例16.1：當下面的CONFIG_ISDN、CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP在.config中被定義爲y時，isdn.c或isdn.S、isdn_bsdcomp.c或isdn_bsdcomp.S被編譯成isdn.o、isdn_bsdcomp.o。這兩個o文件被組合進built-in.o文件中，最後被連接進入內核。假如isdn.o、isdn_bsdcomp.o中分別用module_init(A)、module_init(B)定義了函數A、B，則內核啓動時A先被調用，然後是B。
obj-$（CONFIG_ISDN）+=isdn.o
obj-$（CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP）+=isdn_bsdcomp.o
（2）obj-m用來定義哪些文件被編譯成可加載模塊（Loadable module）。
obj-m中定義的.o文件由當前目錄下的.c或.S文件編譯生成，它們不會被編進built-in.o中，而是被編成可加載模塊。
一個模塊可以由一個或幾個.o文件組成。對於只有一個源文件的模塊，在obi-m中直接增加它的.o文件即可。對於有多個源文件的模塊，除在obj-m中增加一個.o文件外，還要定義一個<module name>-objs變量來告訴Makefile這個.o文件由哪些文件組成。
例16.2：當下面的CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP在.config文件中被定義爲m時，isdn_bsdcomp.c或isdn_bsdcomp.S將被編譯成isdn_bsdcomp.o文件，它最後被製作成isdn_bsdcomp.ko模塊，如下所示：
#drivers/isdn/i41/Makefile
obj-$(CONEIG_ISDN_PPP_BSDCOMP) += isdn_bsdcomp.o
例16.3：當下面的CONFIG_ISDN在.config文件中被定義爲m時，將會生成一個isdn.o文件，它由isdn-objs中定義的isdn_net_ lib.o、isdn_v110.o、isdn_common.o等3個文件組合而成。isdn.o最後被製作成isdn.ko模塊。
#drivers/isdn/i41/Makefile
obj-$(CONFIG_ISDN) += isdn.o
isdn-objs := isdn_net_lib.o isdn_v110.o isdn_common.o
（3）lib-y用來定義哪些文件被編成庫文件。
lib-y中定義的.o文件由當前目錄下的.c或.S文件編譯生成，它們被打包成當前目錄下的個庫文件：lib.a。
同時出現在obj-y、lib-y中的.o文件，不會被包含進lib.a中。
要把這個lib.a編進內核中，需要在頂層Makefile中libs-y變量中列出當前目錄。要編成庫文件的內核代碼一般都在這兩個目錄下：lib/、arch/$(ARCH)/lib/。
（4）obj-y、obj-m還可以用來指定要進入的下一層子目錄。
Linux中一個Makefile文件只負責生成當前日錄下的目標文件，子目錄下的目標文件由子目錄的Makefile生成。Linux的編譯系統會自動進入這些子目錄調用它們的Makefile，只是在這之前需要指定這些子目錄。
這要用到obj-y、obj-m，只要在其中增加這些子目錄名即可。
例16.4：fs/Makefile中有如下一行，當CONFIG_JFFS2_FS被定義爲y或m時，在編譯時將會進入jffs2/目錄進行編譯。Linux的編譯系統只會根據這些信息決定是否進入下一級目錄，而下一級中的文件如何編譯成built-in.o或模塊由它的Makefile決定。
101 obj-$(CONFIG_JFFS2_FS) += jffs2/
2、怎樣編譯這些文件。
即編譯選項、連接選項是什麼。這些選項分3類：全局的，適用於整個內核代碼樹；局部的，僅適用於某個Makefile中的所有文件；個體的，僅適用於某個文件。
全局選項在頂層Makefile 和arch/$(ARCH)/Makefile中定義，這些選項的名稱爲：CFLAGS、AFLAGS、LDFLAGS、ARFLAGS，它們分別是編譯C文件的選項、編譯彙編文件的選項、連接文件的選項、製作庫文件的選項。
需要使用局部選項時，它們在各個子目錄中定義，名稱爲：EXTRA_CFLAGS、EXTRA_AFLAGS、EXTRA_LDFLAGS、EXTRA_ARFLAGS，它們的用途與前述選項相同，只是適用範圍比較小，它們針對當前Makefile中的所有文件。
另外，如果想針對某個文件定義它的編譯選項，可以使用CFLAGS_$@，AFLAGS _$@。前者用於編譯某個C文件，後者用於編譯某個彙編文件。$@表示某個目標文件名，比如以下代碼表示編譯ahal52x.c時，選項中要額外加上“-DAHA152X_STAT-DAUTOCONF”。
#drivers/scsi/Makefile
CFLAGS_aha152x.0 = -DAHA152X_STAT -DAUTOCONF
需要注意的是，這3類選項是一起使用的，在scripts/Makefile.lib中可以看到。
_c_flags = $(CFLAGS) $(EXTRA_CFLAGS) $(CFLAGS_$(basetarget).o)
3、怎樣連接這些文件，它們的順序如何。
前面分析有哪些文件要編進內核時，頂層Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile定義了6類目錄（或文件）：head-y、init-y、drivers-y、net-y、libs-y和core-y。它們的初始值如下（以ARM體系爲例）。
arch/arm/Makefile中：
94 head-y := arch/arm/kernel/head$ (MMUEXT) .o arch/arm/kernel/init_task.o
...
171 core-y += arch/arm/kernel/arch/arm/mm/arch/arm/common/
172 core-y += $(MACHINE)
173 core-$(CONFIG_ARCH_S3C2410) += arch/arm/mach-s3c2400/
174 core-$(CONFIG_ARCH_S3C2410) += arch/arm/mach-s3c2412/
175 core-$(CONEIG_ARCHS3C2410) += arch/arm/mach-s3c2440/
...
191 libs-y := arch/arm/lib/$(libs-y)
...
頂層Makefile中：
433 init-y :=init/
434 drivers-y :=drivers/sound/
435 net-y :=net/
436 libs-y :=lib/
437 core-y :=usr/
...
556 core-y += kernel/mm/fs/ipc/security/crypto/block/
可見，除head-y外，其餘的init-y、drivers-y等都是目錄名。在頂層Makefile中，這些目錄名的後面直接加上built-in.o或lib.a，表示要連接進內核的文件，如下所示：
567 init-y :=$(patsubst %/，%/built-in.o，$(init-y))
568 core-y :=$(patsubst %/，%/built-in.o，$core-y))
569 drivers-y:=$(patsubst %/，%/built-in.o，$(drivers-y))
570 net-y :=$(patsubst %/，%/built-in.o，$(net-y))
571 libs-y1 :=$((patsubst %/，%/lib.a，$(libs-y))
572 libs-y2i :=$(patsubst %/，%/built-in.o，$(libs-y))
573 libs-y :=$(libs-y1) $(libs-y2)
上面的patsubst是個字符串處理函數，它的用法如下：
$(patsubst pattern，replacement，text)
表示尋找“text”中符合格式“pattern”的字，用“replacement”替換它們。比如上面的init-y初值爲“init/”，經過第567行的交換後，“init-y”變爲“init/built-in.o”。
頂層Makefile中，再往下看。
602 vmlinux-init :=$(head-y) $(init-y)
603 vmlinux-main :=$(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y)
604 vmlinux-al1 :=$(vmlinux-init) $(vmlinux-main)
605 vmlinux-1ds := arch/$(ARCH)/kerne1/vmlinux.lds
第604行的vmlinux-all表示所有構成內核映象文件vmlinux的目標文件，從第602~604行可知這些目標文件的順序爲：head-y、init-y、core-y、libs-y、drivers-y、net-y，即arch/arm/kernel/head.o（假設有MMU，否則爲head-nommu.o）、arch/arm/kernel/init task.o、init/built-in.o、usr/built-in.o等。
第605行表示連接腳本爲arch/$(ARCH)/kernel/ymlinux.lds。對於ARM體系，連接腳本就是arch/arm/kernel/vmlinux.lds，它由arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S文件生成，規則在scripts/Makefile.build中，如下所示：
248 $(obj)/%.lds: $(src)/%.lds.S FORCE
249 $(ca1l if_changed_dep，cpp_lds_s）
250
現將生成的arch/arm/kernel/vmlinux.lds摘錄如下：
286 SECTIONS
287 {
291 .=（0xc0000000）+0X00008000; /*代碼段起始地址，這是個虛擬地址*/
292
293 .text.head:{
294 _stext=.;
295 _sinittext=.;
296 *（.text.head）
297 }
298
299 .init:{/*內核初始化的代碼和數據*/
...
343 }
344
...
355 .text:{/*真正的代碼段*/
356 _text=.;/*代碼段和只讀數據段的開始地址*/
...
372}
373 /*只讀數據*/
374 .=ALIGN（（4096））；.rodata:AT（ADDR（.rodata）-0）{.……}.=ALIGN（（4096））;
375
376 _etext=.；/*代碼段和只讀數據段的結束地址*/
...
386 .data:Ar（_data_loc）{/*數據段*/
387 data_start=.；/*數據段起始地址*/
...
422 edata=.；/*數據段結束地址*/
423
424 edataloc =_dataloc+SrZEOF（.data）；/*數據段結束地址*/
425
426 .b33：{/*BSS段，沒有初化或初值爲0的全局、靜態變量*/
427 _bs8_start=.；/*BSS段起始地址*/
428 *（.bss）
429 *（COMMON）
430 end=.；/*BsS段結束地址*/
431
432 /*調試信息段*/
433 .stab 0：{*（.stab）}
...
440}
下面對本節分析Makefile的結果作一下總結。
（1）配置文件.config中定義了一系列的變量，Makefile將結合它們來決定哪些文件被編進內核、哪些文件被編成模塊、涉及哪些子目錄。
（2）頂層Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile決定根目錄下哪些子目錄、arch/$(ARCH)目錄下哪些文件和目錄將被編進內核。
（3）最後，各級子目錄下的Makefile決定所在目錄下哪些文件將被編進內核，哪些文件將被編成模塊（即驅動程序），進入哪些子目錄繼續調用它們的Makefile。
（4）頂層Makefile 和arch/$(ARCH)/Makefile 設置了可以影響所有文件的編譯、連接選項：CFLAGS、AFLAGS、LDFLAGS、ARFLAGS。
（5）各級子日錄下的Makefile中可以設置能夠影響當前目錄下所有文件的編譯、連接選項：EXTRA CFLAGS、EXTRAAFLAGS、EXTRA_LDFLAGS、EXTRAARFLAGS；還可以設置可以影響某個文件的編譯選項：CFLAGS_$@，AFLAGS_$@。
（6）頂層Makefile按照一定的順序組織文件，根據連接腳本 arch/$(ARCH)/kermel/vmlinux.lds生成內核映象文件vmlinux。