一文详解Linux内核源码组织结构

概要：本文内容包含Linux源码树结构分析、Linux Makefile分析、Kconfig文件分析、Linux内核配置选项分析。这些知识是为了理解内核文件的组织形式，为具体移植内核做知识准备。

一， Linux源码树结构分析

对Linux源码树下个子目录内包含的内容进行列表罗列：

1. arch：体系结构相关的代码，每一个子目录代表一种架构
2. block：块设备的通用函数
3. crypot：常用加密和散列算法、压缩和CRC校核算法
4. fs：Linux支持的文件系统，每一个子目录代表一种文件系统
5. include：内核头文件：基本头文件（include/linux ）、驱动或功能部件头文件（例：include/mtd )、体系相关头文件（linux/asm-arm )
6. driver：所有的驱动程序，每一个子目录代表一类驱动程序
7. init：内核的初始化程序，其中main.c中的start_kernel函数是内核引导后执行的第一个函数
8. ipc：进程间通信代码
9. kernel：内核管理的核心代码，与体系相关的代码在/arch/$(ARCH)/kernel
10. lib：内核用到的库函数，与处理器相关的库函数位于/arch/$(ARCH)/lib
11. mm：内存管理代码，与处理器体系相关的位于/arch/$(ARCH)/mm
12. net：与网络相关的代码，每一个子目录对应于网络的一个方面
13. security：安全、密钥相关的代码
14. sound：音频相关的驱动程序
15. usr:用来制作一个压缩的cpio归档文件：initrd的镜像，它可以作为内核启动后挂载的第一个文件系统
16. script:用于配置、编译内核的脚本文件
17. Documet:内核文档

二，Linux Makefile分析

主要从三个方面讲解：编译哪些文件、如何编译文件、如何连接文件

(1)Linux Makefile的分类

1. 顶层Makefile：总体上控制着内核的编译
2. arch/$(ARCH)/Makefile：决定哪些和体系相关的代码参加编译
3. .config：配置文件，内核配置时产生，所有的Makefile都根据这个文件编译内核（包括顶层的和各分成的Makefile）
4. scripts/Makefile.*：Makefile公用的通用规则、脚本等
5. */Makefile：负责该目录下文件的编译

(2)编译哪些文件

顶层Makefile决定哪些目录中的文件将编译进内核

 init-y      := init/
    drivers-y   := drivers/ sound/ firmware/
    net-y       := net/
    libs-y      := lib/
    core-y      := usr/
    ...
    core-y      += kernel/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ block/

顶层Makefile将13个子目录分成5个部分：init-y、drivers-y、net-y、libs-y、core-y

顶层通过下列语句包含和体系架构有关的Makefile。仔细观察可以看到/arch子目录的根目录下是没有Makefile文件的，而其它各子目录都是有Makefile。

    include $(srctree)/arch/$(SRCARCH)/Makefile
    ...
    SRCARCH     := $(ARCH)

所以在编译内核之前先要确定ARCH

    ARCH        ?= $(SUBARCH)
    CROSS_COMPILE   ?=
    ...
    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/ )

默认的ARCH不是我们需要的，所以要进行修改

    ARCH        ?= arm
    CROSS_COMPILE   ?=arm-linux-

$$(srctree)/arch/$(SRCARCH)/Makefile对内核的内容进行了扩充

core-y              += arch/arm/kernel/ arch/arm/mm/ arch/arm/common/
core-y              += $(machdirs) $(platdirs)
core-$(CONFIG_FPE_NWFPE)   += arch/arm/nwfpe/
core-$(CONFIG_FPE_FASTFPE)	+= $(FASTFPE_OBJ)
core-$(CONFIG_VFP)     += arch/arm/vfp/
drivers-$(CONFIG_OPROFILE)      += arch/arm/oprofile/
libs-y              := arch/arm/lib/ $(libs-y)
...
head-y      := arch/arm/kernel/head$(MMUEXT).o arch/arm/kernel/init_task.o

可以看到一个新元素head-y,它还有一个特殊的地方，它是直接对应着两个文件，而不是目录。之所以分成两个是为了同时支持有无MMU的CPU，它们对应着两个不同的head$(MMUEXT).o 文件，由变量MMUEXT控制，可以在配置时设定。

至此我们知道了编译时将进入哪些文件进行编译。编译时依次进入init-y、core-y、libs-y、drivers-y、net-y中列的目录调用其中的Makefile进行编译，每一个子目录都会生成build-in.o(libs-y所列的目录下有可能生成lib.a)。最后head-y列出的文件和build-in.o、lib.a一起连接成vmlinux。

在配置内核时，将会产生.config文件，Makefile将会在.config文件中添加下面两行。

CONFIG_KERNELVERSION = "2.6.32.2"
CONFIG_ARCH = "arm"

有可能是版本原因，在2.6.32.2版本中并没有上面两个语句,有下面两句。

#Linux kernel version = 2.6.32.2
CONFIG_ARM = y

观察.config文件会发现变量的值主要有两种y、m，各级的Makefile将会根据这些变量的值来决定编译哪些文件，同时是编译进内核，还是作为内核模块存在。

obj-y中定义的.o文件将由当前目录下的.c、.S文件及子目录下的build-in.o文件编译连接得到的。

注意：obj-y中定义的.o文件的顺序是由意义的。

下面是一段取自子目录中的Makefile文件内容，在该目录下有ioat和ipu子目录

    obj-$(CONFIG_DMA_ENGINE) += dmaengine.o
    obj-$(CONFIG_NET_DMA) += iovlock.o
    obj-$(CONFIG_DMATEST) += dmatest.o
    obj-$(CONFIG_INTEL_IOATDMA) += ioat/
    obj-$(CONFIG_INTEL_IOP_ADMA) += iop-adma.o
    obj-$(CONFIG_FSL_DMA) += fsldma.o
    obj-$(CONFIG_MV_XOR) += mv_xor.o
    obj-$(CONFIG_DW_DMAC) += dw_dmac.o
    obj-$(CONFIG_AT_HDMAC) += at_hdmac.o
    obj-$(CONFIG_MX3_IPU) += ipu/
    obj-$(CONFIG_TXX9_DMAC) += txx9dmac.o
    obj-$(CONFIG_SH_DMAE) += shdma.o

obj-m中定义的.o文件是由的当前目录下的.c、.S文件编译生成，它们不会与build-in.o一起编译进入内核。而是被编译成.ko文件，作为模块存在。

当.o文件由单文件编译而成时，用下面的语句：

obj-$(CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP) += isdn_bsdcomp.o

当.o文件由多文件编译而成时，用下面的语句：

obj-$(CONFIG_ISDN) +=isdn.o
isdn-objs := isdn_net_lib.o isdn_v110.o isdn_commen.o

编写驱动程序时，也是以这种方式编写Makefile。

lib-y中定义的.o文件是由的当前目录下的.c、.S文件编译生成,他们被打包成当前目录下的lib.a文件。同时出现在lib-y和obj-y中的文件，不会被包含进lib.a文件。

obj-y和obj-m可以用来指定进入下一级目录。

(3)怎么编译这些文件

怎么编译文件就是意味着编译选项和连接选项是什么。

这些选项分成3类：全局的（适用整个代码树）、局部的（适用单个Makefile）、个体的（适用单个文件）。

全局选项是在顶层Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile中定义的，这些选项是CFLAGS、AFLAGS、LDFLAGS、ARFLAGS，它们分别是编译C文件的选项，编译汇编文件的选项，连接文件的选项，制作库文件的选项。

局部选项在各自子目录中定义，名称为：EXTRA_CFLAGS、EXTRA_AFALGS、EXTRA_LDFALGS、EXTRA_ARFLAGS.

对单文件设定编译选项，可以用CLFAGS_$@、AFLAGS_$@，前者对C文件，后者对汇编文件。

注意：3类选项是一起使用的，在scripts/Makefile.lib中可以看到：

_c_flags = $(CFLAGS) $(EXTRA_CFLGAS) $(CFALGS_$(baseterget.o))

如何连接文件

在顶层Makefile文件中有如下语句：

init-y      := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(init-y))
core-y      := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(core-y))
drivers-y   := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(drivers-y))
net-y       := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(net-y))
libs-y1     := $(patsubst %/, %/lib.a, $(libs-y))
libs-y2     := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(libs-y))
libs-y      := $(libs-y1) $(libs-y2)

可以看出以后的连接是相当于着五种built-in.o文件和head-o文件的连接。

之后对这些文件再次进行合并

vmlinux-init := $(head-y) $(init-y)
vmlinux-main := $(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y)
vmlinux-all  := $(vmlinux-init) $(vmlinux-main)
vmlinux-lds  := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds

可以看出初始化代码由两部分组成head-y和init-y两部分组成，而且head-y是在init-y的前面。所以总的代码顺序是arch/arm/kernel/head.o(假设有MMU，没有的话是head_nommu.o)、arch/arm/kernel/init_task.o、init/build-in.o。

连接脚本是arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds，它由arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds.S生成。

具体连接细节可以查看上面的文件内容。

三，内核的Kconfig分析

内核配置工具读取各个Kconfig文件，生成配置界面共开放人员配置内核，最后生成配置文件.config。

关于Kconfig的最权威资料在/Documentations/Kbuild/kconfig-language.txt

Kconfig语法分析：

• Kconfig的基本要素：config ；config经常被其它条目包含，用来生成菜单和多项选择。

config JFFS2_FS_WBUF_VERIFY
    bool "Verify JFFS2 write-buffer reads"
    depends on JFFS2_FS_WRITEBUFFER
    default n
    help
      This causes JFFS2 to read back every page written through the
      write-buffer, and check for errors.

上述代码是config的常用方式：

config JFFS2_FS_WBUF_VERIFY

在配置界面中配置了该选项后，会在.config中出现 CONFIG_JFFS2_FS_WBUF_VERIFY = y或者m.

bool "Verify JFFS2 write-buffer reads"

在配置界面中将会显示Verify JFFS2 write-buffer reads选项，bool是变量的类型，一共有5种变量类型：bool、tristate、 string 、hex 、int，bool变量有两种取值y,m；tristate变量有三种取值y,m,n；string可以取字符串；hex取十六进制数；int取十进制数。

depends on JFFS2_FS_WRITEBUFFER

代表只有在JFFS2_FS_WRITEBUFFER被配置时，才会进行该选项的配置。

default n

代表默认的情况下是选择n

select FS_POSIX_ACL

代表在该选项被选种时，会将FS_POSIX_ACL也选种。

    help
      This causes JFFS2 to read back every page written through the
      write-buffer, and check for errors.

当在配置时按H时会显示该信息。

menu条目

配置界面的主界面是由根目录下Makefile中ARCH配置决定的，当选择arm时，/arch/arm中的Kconfig文件将会用来生成主目录。

下面的内容摘自/arch/arm/Kconfig

mainmenu "Linux Kernel Configuration"

设定主目录的名称

menu "System Type"

将会创建System Type子目录

choice条目

choice将多个类似的配置选项组合在一起，供用户多选和单选

choice
    prompt "Memory split"
    default VMSPLIT_3G
    help
      Select the desired split between kernel and user memory.
      If you are not absolutely sure what you are doing, leave this
      option alone!
    config VMSPLIT_3G
        bool "3G/1G user/kernel split"
    config VMSPLIT_2G
        bool "2G/2G user/kernel split"
    config VMSPLIT_1G
        bool "1G/3G user/kernel split"
endchoice
    prompt "Memory split"

上述代码给出提示信息，选中之后就可以进行选择配置

choice条目中定义的变量类型只能是bool和tristate，当配置的代码编译入内核时为bool，只能有一个条目选择为y；当编译成模块时为tristate或bool，为bool时，也只能是一个为y，当为tristate时，可以有多个m。

comment条目

comment条目用于提供帮助信息，出现在配置界面的第一行。

comment "At least one emulation must be selected"

source条目

用于包含其他Kconfig文件

source "drivers/cpuidle/Kconfig"

菜单形式的配置界面的操作方法

配置界面中[*]、< M >、[ ]分别表示相应的文件被编译进内核、编译成模块、没有被编译。

Load an Alertnate Configuration File 
Save an Alertnate Configuration File

当执行第一条语句时，将.config外的config文件加载，当执行第二条时，表示存储成处.config 外的config文件。

四，Linux内核配置选项

与移植密切相关的内容是System Type、Device Driver。

内核配置主界面内容

1. code maturity level options：代码成熟度选项，包含一些正在开发的或者不成熟的代码和驱动程序，一般不用设置
2. General setup：常规设置，比如增加附加的内核版本号、支持内存页交换功能、System V进程间通信等。除非很熟悉其中的内容，否则一般使用默认配置
3. Loadable module support：可加载模块支持：一般都会打开可加载模块支持（Enable loadable module support )、允许卸载已经加载的模块（Module unloading）、让内核通过运行modprobe来自动加载模块（Automatic kernel module loading)
4. block layer：块设备层：用于设置块设备的一些总体参数，比如是否支持大于2TB的块设备、是否支持大于2TB的文件、设置IO调度器，使用默认值即可
5. System Type：系统类型:选择CPU的架构、开发板类型等于开发板相关的配置选项
6. Bus support：PCMCIA 、CardBus总线的支持，对于ARM开发板不需要设置
7. Kernel Feature ：用于设置内核的一些参数，比如是否支持内核抢占，是否支持动态修改系统时钟
8. Boot option：启动参数：比如设置默认的命令行参数等，一般不用理会
9. Floating point emulation：浮点运算仿真功能：因为Linux内核不支持硬件浮点运算，所以要选择一个浮点仿真器，一般选择”NWFPE math emulaiton”
10. Userspace binary formats：可执行文件格式：一般都选择ELF、a.out格式
11. Power management options：电源管理选项
12. Networking：网络协议选项:一般都选择”Networking support“以支持网络功能。通常可以在选择”Networking support“后，使用默认配置
13. Device Driver：设备驱动程序：几乎包含了Linux的所有的驱动程序
14. File systems：文件系统:选择支持的文件系统
15. Profiling support：对系统的或顶进行分析，仅供内核开发者使用
16. Kernel hacking：调试内核时的各种选项：Linux设备驱动程序中有详细描述
17. security options：安全选项：一般使用默认选项
18. Cryptographic options：加密选项
19. Library routines：库子程序：比如CRC32检验函数、zlib压缩函数等。不包含在内核源码中的第三方内核模块可能需要这些库，可以全不全，内核中若有其他部分依赖它，会自动选项

在配置内核的时候按照顺序进行，因为前面的配置会影响后面的。

审核编辑：汤梓红