Linux カーネル構成システムはいくつかの部分で構成されています

Linux カーネル設定システムは 3 つの部分で構成されます: 1. Linux カーネル ソース コードのルート ディレクトリと各層ディレクトリに配布され、Linux カーネルのコンパイル ルールを定義する Makefile、2. 設定ファイル ( config.in) 、ユーザーが構成を選択できるようにする; 3. 構成コマンド・インタープリター (構成スクリプトで使用される構成コマンドを解釈する) および構成ユーザー・インターフェースを含む構成ツール。

#このチュートリアルの動作環境: linux7.3 システム、Dell G3 コンピューター。

Linux カーネル構成システムは、Makefile、構成ファイル (config.in)、構成ツールの 3 つの部分で構成されます。

• Makefile: Linux カーネル ソース コードのルート ディレクトリと各レベルのディレクトリに配布され、Linux カーネルのコンパイル ルールを定義します。

• 構成ファイル (config.in): ユーザーに構成を選択する機能を提供します;

• 構成ツール: 構成コマンド・インタープリター (構成スクリプトで使用される構成コマンドを解釈) および構成を含みます。ユーザー インターフェイス (それぞれ Make config、Make menuconfig、make xconfig に対応する、キャラクター インターフェイス、Ncurses グラフィカル インターフェイス、および Xwindows グラフィカル インターフェイスに基づくユーザー構成インターフェイスを提供します)。

これらの構成ツールは、Tcl/TK や Perl などのスクリプト言語を使用して記述されています (C で記述されたコードも含まれます)。この記事は、構成システム自体の分析ではなく、構成システムの使用方法の紹介です。したがって、構成システムの保守者でない限り、通常のカーネル開発者はその原理を理解する必要はなく、Makefile と構成ファイルの書き方を知っていれば十分です。したがって、この記事では、Makefile と構成ファイルについてのみ説明します。また、特定の CPU アーキテクチャに関する内容については、ARM を例として説明しますが、これは議論の内容を明確にするだけでなく、内容自体には影響しません。

Makefile

Makefile の概要

Makefile の機能は、次のリストを構築することです。コンパイルが必要なソース ファイルは個別にコンパイルされ、ターゲット コードがリンクされて最終的に Linux カーネル バイナリ ファイルが形成されます。

Linux カーネルのソース コードはツリー構造に従って編成されているため、Makefile もディレクトリ ツリーに配布されます。 Linux カーネルの Makefile と Makefile に直接関連するファイルは次のとおりです。

• Makefile: 最上位の Makefile は、カーネル全体の構成とコンパイルの全体的な制御ファイルです。

• .config: ユーザーが選択した構成オプションを含むカーネル構成ファイル。カーネル構成 (make config など) の結果を保存するために使用されます。

• arch/*/Makefile: さまざまな CPU システム ディレクトリにある Makefile (arch/arm/Makefile など) は、特定のプラットフォーム用の Makefile です。

• 各サブディレクトリ内の Makefile: drivers/Makefile など、サブディレクトリ内のソース コードの管理を担当します。

• Rules.make: すべての Makefile で使用されるルール ファイル。

ユーザーが make config を通じて設定を行うと、.config が生成されます。最上位の Makefile は、.config 内の構成の選択を読み取ります。最上位の Makefile には、vmlinux ファイルとカーネル モジュールの生成という 2 つの主なタスクがあります。この目標を達成するために、トップレベルの Makefile はカーネルの各サブディレクトリに再帰的に入り、これらのサブディレクトリにある Makefile をそれぞれ呼び出します。どのサブディレクトリを入力するかについては、カーネル構成によって異なります。最上位の Makefile には、 include Arch/$(ARCH)/Makefile という文があり、特定の CPU アーキテクチャの Makefile が含まれており、この Makefile にはプラットフォーム関連の情報が含まれています。

各サブディレクトリにある Makefile は、.config で指定された構成情報に基づいて、現在の構成で必要なソース ファイルのリストを作成し、ファイルの最後に include $(TOPDIR)/Rules.make を含めます。ファイル。 。

Rules.make ファイルは非常に重要な役割を果たし、すべての Makefile に共通のコンパイル ルールを定義します。たとえば、このディレクトリ内のすべての C プログラムをアセンブリ コードにコンパイルする必要がある場合は、Makefile に次のコンパイル ルールを含める必要があります。

%.s: %.c
$(CC)$(CFLAGS) -S ​ ##<−o ## $< -o$@

多くのサブディレクトリがあります。同じ要件を満たしている場合は、このコンパイル ルールをそれぞれの Makefile に含める必要がありますが、これはさらに面倒になります。 Linux カーネルでは、このようなコンパイル ルールは Rules.make に統合され、それぞれの Makefile の Rules.make (Include Rules.make) に含まれるため、複数の Makefile での同じルールの重複が回避されます。上記の例の場合、Rules.make 内の対応するルールは次のとおりです:

%.s: %.c
$(CC)$(CFLAGS) $(EXTRA_CFLAGS)$(CFLAGS_$(*F))$(CFLAGS_$@) -S$< -o $@

Makefile中的变量

顶层 Makefile 定义并向环境中输出了许多变量，为各个子目录下的 Makefile 传递一些信息。有些变量，比如 SUBDIRS，不仅在顶层 Makefile 中定义并且赋初值，而且在 arch/*/Makefile 还作了扩充。

常用的变量有以下几类：

1） 版本信息
版本信息有：VERSION，PATCHLEVEL, SUBLEVEL, EXTRAVERSION，KERNELRELEASE。 版本信息定义了当前内核的版本，比如 VERSION=2，PATCHLEVEL=4，SUBLEVEL=18，EXATAVERSION=-rmk7，它们共同构成内核的发行版本KERNELRELEASE：2.4.18-rmk7

2） CPU 体系结构：ARCH
在顶层 Makefile 的开头，用 ARCH 定义目标 CPU 的体系结构，比如 ARCH:=arm 等。许多子目录的 Makefile 中，要根据 ARCH 的定义选择编译源文件的列表。

3） 路径信息：TOPDIR, SUBDIRS
TOPDIR 定义了 Linux 内核源代码所在的根目录。例如，各个子目录下的 Makefile 通过 $(TOPDIR)/Rules.make 就可以找到 Rules.make 的位置。
SUBDIRS 定义了一个目录列表，在编译内核或模块时，顶层 Makefile 就是根据 SUBDIRS 来决定进入哪些子目录。SUBDIRS 的值取决于内核的配置，在顶层 Makefile 中 SUBDIRS 赋值为 kernel drivers mm fs net ipc lib；根据内核的配置情况，在 arch/*/Makefile 中扩充了 SUBDIRS 的值，参见4）中的例子。

4） 内核组成信息：HEAD, CORE_FILES, NETWORKS, DRIVERS, LIBS
Linux 内核文件 vmlinux 是由以下规则产生的：

vmlinux: $(CONFIGURATION) init/main.o init/version.o linuxsubdirs
    $(LD) $(LINKFLAGS) $(HEAD) init/main.o init/version.o \
        --start-group \
        $(CORE_FILES) \
        $(DRIVERS) \
        $(NETWORKS) \
        $(LIBS) \
        --end-group \
        -o vmlinux

可以看出，vmlinux 是由 HEAD、main.o、version.o、CORE_FILES、DRIVERS、NETWORKS 和 LIBS 组成的。这些变量（如 HEAD）都是用来定义连接生成 vmlinux 的目标文件和库文件列表。其中，HEAD在arch/*/Makefile 中定义，用来确定被最先链接进 vmlinux 的文件列表。比如，对于 ARM 系列的 CPU，HEAD 定义为：

HEAD            := arch/arm/kernel/head-$(PROCESSOR).o \
                   arch/arm/kernel/init_task.o

表明 head-$(PROCESSOR).o 和 init_task.o 需要最先被链接到 vmlinux 中。PROCESSOR 为 armv 或 armo，取决于目标 CPU。 CORE_FILES，NETWORK，DRIVERS 和 LIBS 在顶层 Makefile 中定义，并且由 arch/*/Makefile 根据需要进行扩充。 CORE_FILES 对应着内核的核心文件，有 kernel/kernel.o，mm/mm.o，fs/fs.o，ipc/ipc.o，可以看出，这些是组成内核最为重要的文件。同时，arch/arm/Makefile 对 CORE_FILES 进行了扩充：

# arch/arm/Makefile
# If we have a machine-specific directory, then include it in the build.
MACHDIR         := arch/arm/mach-$(MACHINE)
ifeq ($(MACHDIR),$(wildcard $(MACHDIR)))
SUBDIRS         += $(MACHDIR)
CORE_FILES      := $(MACHDIR)/$(MACHINE).o $(CORE_FILES)
endif
HEAD            := arch/arm/kernel/head-$(PROCESSOR).o \
                   arch/arm/kernel/init_task.o
SUBDIRS         += arch/arm/kernel arch/arm/mm arch/arm/lib arch/arm/nwfpe
CORE_FILES      := arch/arm/kernel/kernel.o arch/arm/mm/mm.o $(CORE_FILES)
LIBS            := arch/arm/lib/lib.a $(LIBS)

5） 编译信息：CPP, CC, AS, LD, AR，CFLAGS，LINKFLAGS
在 Rules.make 中定义的是编译的通用规则，具体到特定的场合，需要明确给出编译环境，编译环境就是在以上的变量中定义的。针对交叉编译的要求，定义了 CROSS_COMPILE。比如：

CROSS_COMPILE   = arm-linux-
CC              = $(CROSS_COMPILE)gcc
LD              = $(CROSS_COMPILE)ld

CROSS_COMPILE 定义了交叉编译器前缀 arm-linux-，表明所有的交叉编译工具都是以 arm-linux- 开头的，所以在各个交叉编译器工具之前，都加入了 $(CROSS_COMPILE)，以组成一个完整的交叉编译工具文件名，比如 arm-linux-gcc。
CFLAGS 定义了传递给 C 编译器的参数。
LINKFLAGS 是链接生成 vmlinux 时，由链接器使用的参数。LINKFLAGS 在 arm/*/Makefile 中定义，比如：

# arch/arm/Makefile
LINKFLAGS       :=-p -X -T arch/arm/vmlinux.lds

Rules.make变量

前面讲过，Rules.make 是编译规则文件，所有的 Makefile 中都会包括 Rules.make。Rules.make 文件定义了许多变量，最为重要是那些编译、链接列表变量。

O_OBJS，L_OBJS，OX_OBJS，LX_OBJS：本目录下需要编译进 Linux 内核 vmlinux 的目标文件列表，其中 OX_OBJS 和 LX_OBJS 中的 “X” 表明目标文件使用了 EXPORT_SYMBOL 输出符号。

M_OBJS，MX_OBJS：本目录下需要被编译成可装载模块的目标文件列表。同样，MX_OBJS 中的 “X” 表明目标文件使用了 EXPORT_SYMBOL 输出符号。

O_TARGET，L_TARGET：每个子目录下都有一个 O_TARGET 或 L_TARGET，Rules.make 首先从源代码编译生成 O_OBJS 和 OX_OBJS 中所有的目标文件，然后使用 $(LD) -r 把它们链接成一个 O_TARGET 或 L_TARGET。O_TARGET 以 .o 结尾，而 L_TARGET 以 .a 结尾。

子目录Makefile

目录 Makefile 用来控制本级目录以下源代码的编译规则。我们通过一个例子来讲解子目录 Makefile 的组成：

# Makefile for the linux kernel.
#
# All of the (potential) objects that export symbols.
# This list comes from 'grep -l EXPORT_SYMBOL *.[hc]'.
export-objs := tc.o
# Object file lists.
obj-y       :=
obj-m       :=
obj-n       :=
obj-        :=
obj-$(CONFIG_TC) += tc.o
obj-$(CONFIG_ZS) += zs.o
obj-$(CONFIG_VT) += lk201.o lk201-map.o lk201-remap.o
# Files that are both resident and modular: remove from modular.
obj-m       := $(filter-out $(obj-y), $(obj-m))
# Translate to Rules.make lists.
L_TARGET    := tc.a
L_OBJS      := $(sort $(filter-out $(export-objs), $(obj-y)))
LX_OBJS     := $(sort $(filter     $(export-objs), $(obj-y)))
M_OBJS      := $(sort $(filter-out $(export-objs), $(obj-m)))
MX_OBJS     := $(sort $(filter     $(export-objs), $(obj-m)))
include $(TOPDIR)/Rules.make

a) 注释

对 Makefile 的说明和解释，由#开始。

b) 编译目标定义

类似于 obj-(CONFIGTC)+=tc.o的语句是用来定义编译的目标，是子目录Makefile中最重要的部分。编译目标定义那些在本子目录下，需要编译到Linux内核中的目标文件列表。为了只在用户选择了此功能后才编译，所有的目标定义都融合了对配置变量的判断。前面说过，每个配置变量取值范围是：y，n，m和空，obj−(CONFIG_TC) 分别对应着 obj-y，obj-n，obj-m，obj-。如果 CONFIG_TC 配置为 y，那么 tc.o 就进入了 obj-y 列表。obj-y 为包含到 Linux 内核 vmlinux 中的目标文件列表；obj-m 为编译成模块的目标文件列表；obj-n 和 obj- 中的文件列表被忽略。配置系统就根据这些列表的属性进行编译和链接。

export-objs 中的目标文件都使用了 EXPORT_SYMBOL() 定义了公共的符号，以便可装载模块使用。在 tc.c 文件的最后部分，有 “EXPORT_SYMBOL(search_tc_card);”，表明 tc.o 有符号输出。

这里需要指出的是，对于编译目标的定义，存在着两种格式，分别是老式定义和新式定义。老式定义就是前面 Rules.make 使用的那些变量，新式定义就是 obj-y，obj-m，obj-n 和 obj-。Linux 内核推荐使用新式定义，不过由于 Rules.make 不理解新式定义，需要在 Makefile 中的适配段将其转换成老式定义。

c) 适配段

适配段的作用是将新式定义转换成老式定义。在上面的例子中，适配段就是将 obj-y 和 obj-m 转换成 Rules.make 能够理解的 L_TARGET，L_OBJS，LX_OBJS，M_OBJS，MX_OBJS。

L_OBJS := (sort(filter-out (export−objs),(obj-y))) 定义了 L_OBJS 的生成方式：在 obj-y 的列表中过滤掉 export-objs（tc.o），然后排序并去除重复的文件名。这里使用到了 GNU Make 的一些特殊功能，具体的含义可参考 Make 的文档（info make）。

d) include $(TOPDIR)/Rules.make

配置文件

配置文件功能概述

除了 Makefile 的编写，另外一个重要的工作就是把新功能加入到 Linux 的配置选项中，提供此项功能的说明，让用户有机会选择此项功能。所有的这些都需要在 config.in 文件中用配置语言来编写配置脚本，
在 Linux 内核中，配置命令有多种方式：

配置命令	解释脚本
Make Config，make oldconfig	scripts/Configure
Make menuconfig	scripts/Menuconfig
Make xconfig	scripts/tkparse

以字符界面配置（make config）为例，顶层 Makefile 调用 scripts/Configure， 按照 arch/arm/config.in 来进行配置。命令执行完后产生文件 .config，其中保存着配置信息。下一次再做 make config 将产生新的 .config 文件，原 .config 被改名为 .config.old

实例

对于一个开发者来说，将自己开发的内核代码加入到 Linux 内核中，需要有三个步骤。首先确定把自己开发代码放入到内核的位置；其次，把自己开发的功能增加到 Linux 内核的配置选项中，使用户能够选择此功能；最后，构建子目录 Makefile，根据用户的选择，将相应的代码编译到最终生成的 Linux 内核中去。下面，我们就通过一个简单的例子–test driver，结合前面学到的知识，来说明如何向 Linux 内核中增加新的功能。

目录结构

test driver 放置在 drivers/test/ 目录下：

cddrivers/testtree

.
|– Config.in
|– Makefile
|– cpu
| |– Makefile
| -- cpu.c <br/> |-- test.c <br/> |-- test_client.c <br/> |-- test_ioctl.c <br/> |-- test_proc.c <br/> |-- test_queue.c <br/>– test
|– Makefile

配置文件

# TEST driver configuration
#
mainmenu_option next_comment
comment 'TEST Driver'
bool 'TEST support' CONFIG_TEST
if [ "$CONFIG_TEST" = "y" ]; then
  tristate 'TEST user-space interface' CONFIG_TEST_USER
  bool 'TEST CPU ' CONFIG_TEST_CPU
fi
endmenu

由于 test driver 对于内核来说是新的功能，所以首先创建一个菜单 TEST Driver。然后，显示 “TEST support”，等待用户选择；接下来判断用户是否选择了 TEST Driver，如果是（CONFIG_TEST=y），则进一步显示子功能：用户接口与 CPU 功能支持；由于用户接口功能可以被编译成内核模块，所以这里的询问语句使用了 tristate（因为 tristate 的取值范围包括 y、n 和 m，m 就是对应着模块）。
2） arch/arm/config.in
在文件的最后加入：source drivers/test/Config.in，将 TEST Driver 子功能的配置纳入到 Linux 内核的配置中。

Makefile

1）drivers/test/Makefile

#       drivers/test/Makefile
#
#       Makefile for the TEST.
#
SUB_DIRS     :=
MOD_SUB_DIRS := $(SUB_DIRS)
ALL_SUB_DIRS := $(SUB_DIRS) cpu
L_TARGET := test.a
export-objs := test.o test_client.o
obj-$(CONFIG_TEST)              += test.o test_queue.o test_client.o
obj-$(CONFIG_TEST_USER)         += test_ioctl.o
obj-$(CONFIG_PROC_FS)           += test_proc.o
subdir-$(CONFIG_TEST_CPU)       += cpu
include $(TOPDIR)/Rules.make
clean:
        for dir in $(ALL_SUB_DIRS); do make -C $$dir clean; done
        rm -f *.[oa] .*.flags

drivers/test 目录下最终生成的目标文件是 test.a。在 test.c 和 test-client.c 中使用了 EXPORT_SYMBOL 输出符号，所以 test.o 和 test-client.o 位于 export-objs 列表中。然后，根据用户的选择（具体来说，就是配置变量的取值），构建各自对应的 obj-* 列表。由于 TEST Driver 中包一个子目录 cpu，当 CONFIG_TEST_CPU=y（即用户选择了此功能）时，需要将 cpu 目录加入到 subdir-y 列表中。

2）drivers/test/cpu/Makefile

#       drivers/test/test/Makefile
#
#       Makefile for the TEST CPU 
#
SUB_DIRS     :=
MOD_SUB_DIRS := $(SUB_DIRS)
ALL_SUB_DIRS := $(SUB_DIRS)
L_TARGET := test_cpu.a
obj-$(CONFIG_test_CPU)       += cpu.o
include $(TOPDIR)/Rules.make
clean:
        rm -f *.[oa] .*.flags

3）drivers/Makefile

……
subdir-$(CONFIG_TEST)      += test
……
include $(TOPDIR)/Rules.make

在 drivers/Makefile 中加入 subdir-$(CONFIG_TEST)+= test，使得在用户选择 TEST Driver 功能后，内核编译时能够进入 test 目录。

4）Makefile

……
DRIVERS-$(CONFIG_PLD) += drivers/pld/pld.o
DRIVERS-$(CONFIG_TEST) += drivers/test/test.a
DRIVERS-$(CONFIG_TEST_CPU) += drivers/test/cpu/test_cpu.a
DRIVERS := $(DRIVERS-y)
……

在顶层 Makefile 中加入 DRIVERS-(CONFIGTEST)+=drivers/test/test.a和DRIVERS−(CONFIGTEST)+=drivers/test/test.a。如何用户选择了 TEST Driver，那么 CONFIG_TEST 和 CONFIG_TEST_CPU 都是 y，test.a 和 test_cpu.a 就都位于 DRIVERS-y 列表中，然后又被放置在 DRIVERS 列表中。在前面曾经提到过，Linux 内核文件 vmlinux 的组成中包括 DRIVERS，所以 test.a 和 test_cpu.a 最终可被链接到 vmlinux 中。

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