Linux內核介紹

Linux發行版是在Linux內核的基礎之上，與外帶的應用軟件和工具打包配置之后發行的版本。最初的Linux內核在1991年由當時還在芬蘭赫爾辛基大學計算機系讀書的Linus Torvalds開發，之后Linus很快聚集了大量來自其他自由軟件項目的開發者和用戶為Linux內核貢獻代碼。當前估計有上千開發者在為Linux內核貢獻代碼。

自2.6.0版本發布后，Linux內核以A.B.C.D的方式命名。A和B的變化可以說無關緊要，C是內核的真實版本，每一個版本的變化都會帶來新的特性。例如內部API的變化等等，改動的數量常常上萬。D是安全補丁和bug修復。如果你是Linux的初學者或用戶，只需了解stable即可，它代表穩定版的內核更新。mainline指當前的官方內核，由Linus Torvalds進行更新維護，由開發者們貢獻的代碼主要是合并到mainline當中。linux-next和snapshot都是代碼提交周期結束之前生成的快照，用于給Linux代碼貢獻者們做測試使用。目前stable版本的更新周期為六到十周，下一個穩定版本的rc基本上每周都會更新。新版本的內核分兩種，一種是Full Source版本，完整的內核版本。比較大，一般是tar.gz或者.bz2文件。另一種是patch文件，即補丁文件。patch文件一般只有及時K到幾百K，但是對于特定的版本來說，你要找到自己對應的版本才能使用。

編譯安裝內核

1.下載并解壓內核

內核下載官網：https://www.kernel.org/
解壓內核：tar xf linux-2.6.XX.tar.xz

2.定制內核：make menuconfig

3.編譯內核和模塊：make

生成內核模塊和vmlinuz，initrd.img，Symtem.map文件

4.安裝內核和模塊：sudo make modules_install install

復制模塊文件到/lib/modules目錄下、復制config，vmlinuz，initrd.img，Symtem.map文件到/boot目錄、更新grub

5.其他命令：

make mrprobe：命令的作用是在每次配置并重新編譯內核前需要先執行“make mrproper”命令清理源代碼樹，包括過去曾經配置的內核配置文件“.config”都將被清除。即進行新的編譯工作時將原來老的配置文件給刪除到，以免影響新的內核編譯。
make dep：生成內核功能間的依賴關系，為編譯內核做好準備。

幾個重要的linux內核介紹

config

使用make menuconfig 生成的內核配置文件，決定將內核的各個功能系統編譯進內核還是編譯為模塊還是不編譯。

vmlinuz 和 vmlinux

vmlinuz是可引導的、壓縮的內核，“vm”代表“Virtual Memory”。Linux 支持虛擬內存，不像老的操作系統比如DOS有640KB內存的限制，Linux能夠使用硬盤空間作為虛擬內存，因此得名“vm”。vmlinuz是可執行的Linux內核，vmlinuz的建立有兩種方式：一是編譯內核時通過“make zImage”創建，zImage適用于小內核的情況，它的存在是為了向后的兼容性；二是內核編譯時通過命令make bzImage創建，bzImage是壓縮的內核映像，需要注意，bzImage不是用bzip2壓縮的，bzImage中的bz容易引起誤解，bz表示“big zImage”，bzImage中的b是“big”意思。 zImage（vmlinuz）和bzImage（vmlinuz）都是用gzip壓縮的。它們不僅是一個壓縮文件，而且在這兩個文件的開頭部分內嵌有gzip解壓縮代碼，所以你不能用gunzip 或 gzip –dc解包vmlinuz。 內核文件中包含一個微型的gzip用于解壓縮內核并引導它。兩者的不同之處在于，老的zImage解壓縮內核到低端內存（第一個640K），bzImage解壓縮內核到高端內存（1M以上）。如果內核比較小，那么可以采用zImage 或bzImage之一，兩種方式引導的系統運行時是相同的。大的內核采用bzImage，不能采用zImage。 vmlinux是未壓縮的內核，vmlinuz是vmlinux的壓縮文件。

initrd.img

initrd是“initial ramdisk”的簡寫。initrd一般被用來臨時的引導硬件到實際內核vmlinuz能夠接管并繼續引導的狀態。比如initrd- 2.4.7-10.img主要是用于加載ext3等文件系統及scsi設備的驅動。如果你使用的是scsi硬盤，而內核vmlinuz中并沒有這個 scsi硬件的驅動，那么在裝入scsi模塊之前，內核不能加載根文件系統，但scsi模塊存儲在根文件系統的/lib/modules下。為了解決這個問題，可以引導一個能夠讀實際內核的initrd內核并用initrd修正scsi引導問題，initrd-2.4.7-10.img是用gzip壓縮的文件。initrd映象文件是使用mkinitrd創建的，mkinitrd實用程序能夠創建initrd映象文件，這個命令是RedHat專有的，其它Linux發行版或許有相應的命令。這是個很方便的實用程序。具體情況請看幫助：man mkinitrd

System.map

System.map是一個特定內核的內核符號表，由“nm vmlinux”產生并且不相關的符號被濾出。
下面幾行來自/usr/src/linux-2.4/Makefile：

nm vmlinux | grep -v '(compiled)|(.o$$)|( [aUw] )|(..ng$$)|(LASH[RL]DI)' | sort > System.map

在進行程序設計時，會命名一些變量名或函數名之類的符號。Linux內核是一個很復雜的代碼塊，有許許多多的全局符號， Linux內核不使用符號名，而是通過變量或函數的地址來識別變量或函數名，比如不是使用size_t BytesRead這樣的符號，而是像c0343f20這樣引用這個變量。 對于使用計算機的人來說，更喜歡使用那些像size_t BytesRead這樣的名字，而不喜歡像c0343f20這樣的名字。內核主要是用c寫的，所以編譯器/連接器允許我們編碼時使用符號名，而內核運行時使用地址。 然而，在有的情況下，我們需要知道符號的地址，或者需要知道地址對應的符號，這由符號表來完成，符號表是所有符號連同它們的地址的列表。

Linux 符號表使用到2個文件： /proc/ksyms 、System.map 。/proc/ksyms是一個“proc file”，在內核引導時創建。實際上，它并不真正的是一個文件，它只不過是內核數據的表示，卻給人們是一個磁盤文件的假象，這從它的文件大小是0可以看 出來。然而，System.map是存在于你的文件系統上的實際文件。當你編譯一個新內核時，各個符號名的地址要發生變化，你的老的System.map 具有的是錯誤的符號信息，每次內核編譯時產生一個新的System.map，你應當用新的System.map來取代老的System.map。

雖然內核本身并不真正使用System.map，但其它程序比如klogd， lsof和ps等軟件需要一個正確的System.map。如果你使用錯誤的或沒有System.map，klogd的輸出將是不可靠的，這對于排除程序故障會帶來困難。沒有System.map，你可能會面臨一些令人煩惱的提示信息。 另外少數驅動需要System.map來解析符號，沒有為你當前運行的特定內核創建的System.map它們就不能正常工作。

Linux的內核日志守護進程klogd為了執行名稱-地址解析，klogd需要使用System.map。System.map應當放在使用它的軟件能夠找到它的地方。執行：man klogd可知，如果沒有將System.map作為一個變量的位置給klogd，那么它將按照下面的順序，在三個地方查System.map：/boot/System.map、/System.map、/usr/src/linux/System.map
System.map也有版本信息，klogd能夠智能地查找正確的映象（map）文件。

makefile menuconfig過程講解

當我們在執行make menuconfig這個命令時，系統到底幫我們做了哪些工作呢？這里面一共涉及到了一下幾個文件我們來一一探討

1.Linux內核根目錄下的scripts文件夾

2.arch/$ARCH/Kconfig文件、各層目錄下的Kconfig文件

3.Linux內核根目錄下的makefile文件、各層目錄下的makefile文件

4.Linux內核根目錄下的的.config文件、arch/$ARCH/configs/下的文件

5.Linux內核根目錄下的 include/generated/autoconf.h文件
1）scripts文件夾存放的是跟make menuconfig配置界面的圖形繪制相關的文件，我們作為使用者無需關心這個文件夾的內容

2）當我們執行make menuconfig命令出現上述藍色配置界面以前，系統幫我們做了以下工作：
首先系統會讀取arch/$ARCH/目錄下的Kconfig文件生成整個配置界面選項（Kconfig是整個linux配置機制的核心），那么ARCH環境變量的值等于多少呢？它是由linux內核根目錄下的makefile文件決定的，在makefile下有此環境變量的定義：

SUBARCH := $(shell uname -m | sed -e s/i.86/i386/ -e s/sun4u/sparc64/ \
                  -e s/arm.*/arm/ -e s/sa110/arm/ \
                  -e s/s390x/s390/ -e s/parisc64/parisc/ \
                  -e s/ppc.*/powerpc/ -e s/mips.*/mips/ \
                  -e s/sh[234].*/sh/ )
      ..........
      export KBUILD_BUILDHOST := $(SUBARCH)
      ARCH        ?= $(SUBARCH)
      CROSS_COMPILE   ?=

或者通過 make ARCH=arm menuconfig命令來生成配置界面比如教務處進行考試，考試科數可能有外語、語文、數學等科，這里我們選擇了arm科可進行考試，系統就會讀取arm/arm/kconfig文件生成配置選項（選擇了arm科的卷子），系統還提供了x86科、milps科等10幾門功課的考試題

3）假設教務處比較“仁慈”，為了怕某些同學做錯試題，還給我們準備了一份參考答案（默認配置選項），存放在arch/$ARCH/configs/目錄下，對于arm科來說就是arch/arm/configs文件夾：

此文件夾中有許多選項，系統會讀取哪個呢？內核默認會讀取linux內核根目錄下.config文件作為內核的默認選項（試題的參考答案），我們一般會根據開發板的類型從中選取一個與我們開發板最接近的系列到Linux內核根目錄下（選擇一個最接近的參考答案）

4).config
假設教務處留了一個心眼，他提供的參考答案并不完全正確（.config文件與我們的板子并不是完全匹配），這時我們可以選擇直接修改.config文件然后執行make menuconfig命令讀取新的選項。但是一般我們不采取這個方案，我們選擇在配置界面中通過空格、esc、回車選擇某些選項選中或者不選中，最后保存退出的時候，Linux內核會把新的選項（正確的參考答案）更新到.config中，此時我們可以把.config重命名為其它文件保存起來（當你執行make distclean時系統會把.config文件刪除），以后我們再配置內核時就不需要再去arch/arm/configs下考取相應的文件了，省去了重新配置的麻煩，直接將保存的.config文件復制為.config即可.

5）經過以上兩步，我們可以正確的讀取、配置我們需要的界面了，那么他們如何跟makefile文件建立編譯關系呢？當你保存make menuconfig選項時，系統會除了會自動更新.config外，還會將所有的選項以宏的形式保存在Linux內核根目錄下的 include/generated/autoconf.h文件下

內核中的源代碼就都會包含以上.h文件，跟宏的定義情況進行條件編譯。當我們需要對一個文件整體選擇如是否編譯時，還需要修改對應的makefile文件，例如：

我們選擇是否要編譯s3c2410_ts.c這個文件時，makefile會根據CONFIG_TOUCHSCREEN_S3C2410來決定是編譯此文件，此宏是在Kconfig文件中定義，當我們配置完成后，會出現在.config及autconf中，至此，我們就完成了整個linux內核的編譯過程。最后我們會發現，整個linux內核配置過程中，留給用戶的接口其實只有各層Kconfig、makefile文件以及對應的源文件。

比如我們如果想要給內核增加一個功能，并且通過make menuconfig控制其聲稱過程首先需要做的工作是：修改對應目錄下的Kconfig文件，按照Kconfig語法增加對應的選項；其次執行make menuconfig選擇編譯進內核或者不編譯進內核，或者編譯為模塊，.config文件和autoconf.h文件會自動生成；最后修改對應目錄下的makefile文件完成編譯選項的添加；最后的最后執行make命令進行編譯。

Kconfig和Makefile

Linux內核源碼樹的每個目錄下都有兩個文檔Kconfig和Makefile。分布到各目錄的Kconfig構成了一個分布式的內核配置數據庫，每個Kconfig分別描述了所屬目錄源文檔相關的內核配置菜單。在執行內核配置make menuconfig時，從Kconfig中讀出菜單，用戶選擇后保存到.config的內核配置文檔中。在內核編譯時，主Makefile調用這 個.config，就知道了用戶的選擇。這個內容說明Kconfig就是對應著內核的每級配置菜單。

假如要想添加新的驅動到內核的源碼中，要修改Kconfig,這樣就能夠選擇這個驅動，假如想使這個驅動被編譯，則要修改Makefile。添加新 的驅動時需要修改的文檔有兩種（如果添加的只是文件，則只需修改當前層Kconfig和Makefile文件；如果添加的是目錄，則需修改當前層和目錄下 的共一對Kconfig和Makefile）Kconfig和Makefile。要想知道怎么修改這兩種文檔，就要知道兩種文檔的語法結構，Kconfig的語法參見參考文獻《【linux-2.6.31】kbuild》。
Makefile 文件包含 5 部分:

    Makefile                      頂層的 Makefile
    .config                       內核配置文件
    arch/$(ARCH)/Makefile         體系結構 Makefile
    scripts/Makefile.*            適用于所有 kbuild Makefile 的通用規則等
    kbuild Makefiles              大約有 500 個這樣的文件

頂層 Makefile 讀取內核配置操作產生的.config 文件，頂層 Makefile 構建兩個主要的目標:vmlinux(內核映像)和 modules(所有模塊文件)。它通過遞歸訪問內核源碼樹下的子目錄來構建這些目標。訪問哪些子目錄取決于內核配置。頂層 Makefile 包含一個體系結構 Makefile,由 arch/$(ARCH)/Makefile 指定。體系結構 Makefile 文件為頂層 Makefile 提供了特定體系結構的信息。每個子目錄各有一個 kbuild文件和Makefile 文件來執行從上層傳遞下來的命令。kbuild和Makefile文件利用.config 文件中的信息來構造由 kbuild 構建內建或者模塊對象使用的各種文件列表。scripts/Makefile.*包含所有的定義/規則,等等。這些信息用于使用 kbuild和 Makefile 文件來構建內核。