2010年5月4日 星期二

(轉)Linux 2.6內核Makefile分析

(轉)Linux 2.6內核Makefile分析
由於Linux的獨特優勢,使越來越多的企業和科研機構把目光轉向Linux的開發和研究上。目前Linux最新的穩定內核版本為2.6.17,但是當今絕大部分對於Linux Makefile的介紹文章都是基於2.4內核的,可以說關於2.6內核Makefile相關的文章鳳毛麟角,筆者抽時間完成了這篇分析文章,讓讀者迅速熟悉Linux最新Makefile體系,從而加深對內核的理解,同時也希望能對Linux在公司的推廣起到一定的推動作用,算是抛磚引玉吧!
1 Makefile組織層次
Linux的Make體系由如下幾部分組成:
Ø 頂層Makefile
頂層Makefile通過讀取配置檔,遞迴編譯內核代碼樹的相關目錄,從而產生兩個重要的目標檔:vmlinux和模組。
Ø 內核相關Makefile
位於arch/$(ARCH) 目錄下,為頂層Makefile提供與具體硬體體協結構相關的資訊。
Ø 公共編譯規則定義檔。
包括Makefile.build 、Makefile.clean、Makefile.lib、Makefile.host等檔組成。這些檔位於scripts目錄中,定義了編譯需要的公共的規則和定義。
Ø 內核配置檔 .config
通過調用make menuconfig或者make xconfig命令,用戶可以選擇需要的配置來生成期望的目標檔。
Ø 其他Makefile
主要為整個Makefile體系提供各自模組的目標檔定義,上層Makefile根據它所定義的目標來完成各自模組的編譯。
2 Makefile的使用
在編譯內核之前,用戶必須首先完成必要的配置。Linux內核提供了數不勝數的功能,支援眾多的硬體體系結構,這就需要用戶對將要生成的內核進行裁減。內核提供了多種不同的工具來簡化內核的配置,最簡單的一種是字元介面下命令行工具:
make config
這個工具會依次遍曆內核所有的配置項,要求用戶進行逐項的選擇配置。這個工具會耗費用戶太多時間,除非萬不得以(你的編譯主機不支援其他配置工具)一般不建議使用。
用戶還可以使用利用ncurse庫編制的圖形介面工具,這就是大名鼎鼎的:
make menuconfig
相信以前對2.4內核比較熟悉的用戶一定不會陌生。當然在2.6內核中提供了更漂亮和方便的基於X11的圖形配置工具:
make xconfig
當用戶使用這個工具對Linux內核進行配置時,介面下方會出現這個配置項相關的幫助資訊和簡單描述,當你對內核配置選項不太熟悉時,建議你使用這個工具來進行內核配置。
當用戶完成配置後,配置工具會自動生成.config檔,它被保存在內核代碼樹的根目錄下。用戶可以很容易找到它,當然用戶也可以直接對這個檔進行簡單的修改。但是當你修改過配置檔之後,你必須通過下面的命令來驗證和更新配置:
make oldconfig
跟2.4版本的不同之處在於,用戶不需要顯示的調用make dep命令來生成依賴檔,內核會自動維護代碼間的依賴關係。
當一切工作完成以後,用戶只需要簡單鍵入make,剩下所有的工作makefile就會自動替你完成了。
3 Makefile編譯流程
當用戶使用Linux的Makefile編譯內核版本時,Makefile的編譯流程如下:
Ø 使用命令行或者圖形介面配置工具,對內核進行裁減,生成.config配置檔
Ø 保存內核版本資訊到 include/linux/version.h
Ø 產生符號鏈結 include/asm,指向實際目錄 include/asm-$(ARCH)
Ø 為最終目標檔的生成進行必要的準備工作
Ø 遞迴進入 /init 、/core、 /drivers、 /net、 /lib等目錄和其中的子目錄來編譯生成所有的目標檔
Ø 鏈結上述過程產生的目標檔生成vmlinux,vmlinux存放在內核代碼樹的根目錄下
Ø 最後根據 arch/$(ARCH)/Makefile檔定義的後期編譯的處理規則建立最終的映象bootimage,包括創建引導記錄、準備initrd映象和相關處理
4 Makefile關鍵規則和定義描述
1) 目標定義
目標定義是Makefile檔的核心部分,目標定義通知Makefile需要生成哪些目標檔、如何根據特殊的編譯選項鏈結目標檔,同時控制哪些子目錄要遞迴進入進行編譯。
這個例子Makefile檔位於/fs/ext2目錄 :
#
# Makefile for the linux ext2-filesystem routines.
#
obj-$(CONFIG_EXT2_FS) += ext2.o
ext2-y := balloc.o bitmap.o dir.o file.o fsync.o ialloc.o inode.o \
ioctl.o namei.o super.o symlink.o
ext2-$(CONFIG_EXT2_FS_XATTR) += xattr.o xattr_user.o xattr_trusted.o
ext2-$(CONFIG_EXT2_FS_POSIX_ACL) += acl.o
ext2-$(CONFIG_EXT2_FS_SECURITY) += xattr_security.o
ext2-$(CONFIG_EXT2_FS_XIP) += xip.o
這表示與ext2相關的目標檔由 ext2-y定義的檔列表組成,其中ext2-$(*)是由內核配置檔.config中的配置項決定,最終Makefile會在這個目錄下統一生成一個目標檔ext2.o(由obj-$(CONFIG_EXT2_FS)決定)。其中obj-y表示為生成vmlinux檔所需要的目標檔集合,具體的檔依賴於內核配置。
Makefile會編譯所有的$(obj-y)中定義的檔,然後調用鏈結器將這些檔鏈結到built-in.o文件中。最終built-in.o檔通過頂層Makefile鏈結到vmlinux中。值得注意的是$(obj-y)的檔順序很重要。列表檔可以重複,檔第一次出現時將會鏈結到built-in.o中,後來出現的同名檔將會被忽略。檔順序直接決定了他們被調用的順序,這一點讀者需要特別注意。
讀者可能會在某些Makefile中發現lib-y定義,所有包含在lib-y定義中的目標檔都將會被編譯到該目錄下一個統一的庫檔中。值得注意的是lib-y定義一般被限制在 lib 和arch/$(ARCH)/lib 目錄中。
體系makefile檔和頂層makefile檔共同定義了如何建立vmlinux檔的規則。
$(head-y) 列舉首先鏈結到vmlinux的物件檔。
$(libs-y) 列舉了能夠找到lib.a檔的目錄。
其餘的變數列舉了能夠找到内嵌物件檔的目錄。
$(init-y) 列舉的物件位於$(head-y)物件之後。
然後是如下位置順序:
$(core-y), $(libs-y), $(drivers-y) 和 $(net-y)。
頂層makefile定義了所有通用目錄,arch/$(ARCH)/Makefile檔只需增加體系相關的目錄。
例如: #arch/i386/Makefile
libs-y += arch/i386/lib/
core-y += arch/i386/kernel/ \
arch/i386/mm/ \
arch/i386/$(mcore-y)/ \
arch/i386/crypto/
drivers-$(CONFIG_MATH_EMULATION) += arch/i386/math-emu/
drivers-$(CONFIG_PCI) += arch/i386/pci/
…………………………………………
2) 目錄遞迴
Makefile檔只負責當前目錄下的目標檔,子目錄中的檔由子目錄中的makefile負責編譯,編譯系統使用obj-y 和 obj-m來自動遞迴編譯各個子目錄中的檔。
對於fs/Makefile:
obj-$(CONFIG_EXT2_FS) += ext2/
如果在內核配置檔.config中,CONFIG_EXT2_FS被設置為y或者m,則內核makefile會自動進入ext2目錄來進行編譯。內核Makefile只使用這些資訊來決定是否需要編譯這個目錄,子目錄中的makefile規定哪些檔編譯為模組,哪些檔編譯進內核。
3) 依賴關係
Linux Makefile通過在編譯過程中生成的 .檔案名.o.cmd(比如對於main.c檔,它對應的依賴檔案名為.main.o.cmd)來定義相關的依賴關係。
一般檔的依賴關係由如下部分組成:
Ø 所有的前期依賴檔(包括所有相關的*.c 和 *.h)
Ø 所有與CONFIG_選項相關的檔
Ø 編譯目標檔所使用到的命令行
位於init目錄下的main.c檔的依賴檔.main.o.cmd內容如下,讀者可以結合起來理解上述檔依賴關係的三個組成部分:
cmd_init/main.o := gcc -m32 -Wp,-MD,init/.main.o.d -nostdinc -isystem /usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/include -D__KERNEL__ -Iinclude -Iinclude2 -I/home/linux/linux-2.6.17.11/include -include include/linux/autoconf.h -I/home/linux/linux-2.6.17.11/init -Iinit -Wall -Wundef -Wstrict-prototypes -Wno-trigraphs -fno-strict-aliasing -fno-common -Os -fomit-frame-pointer -pipe -msoft-float -mpreferred-stack-boundary=2 -march=i686 -mcpu=pentium4 -mregparm=3 -ffreestanding -I/home/linux/linux-2.6.17.11/include/asm-i386/mach-default -Iinclude/asm-i386/mach-default -D"KBUILD_STR(s)=\#s" -D"KBUILD_BASENAME=KBUILD_STR(main)" -D"KBUILD_MODNAME=KBUILD_STR(main)" -c -o init/.tmp_main.o /home/linux/linux-2.6.17.11/init/main.c
deps_init/main.o := \
/home/linux/linux-2.6.17.11/init/main.c \
$(wildcard include/config/x86/local/apic.h) \
$(wildcard include/config/acpi.h) \
# 由於篇幅的關係,此處略去一些定義
……………………………………..
include2/asm/mpspec_def.h \
/home/linux/linux-2.6.17.11/include/asm-i386/mach-default/mach_mpspec.h \
include2/asm/io_apic.h \
include2/asm/apic.h \
init/main.o: $(deps_init/main.o)
$(deps_init/main.o):
4) 特殊規則
特殊規則使用在內核編譯需要規則定義而沒有相應定義的時候。典型的例子如編譯時頭檔的產生規則。其他例子有體系makefile編譯引導映射的特殊規則。特殊規則寫法同普通的makefile規則。
編譯程序在makefile所在的目錄不能被執行,因此所有的特殊規則需要提供前期檔和目標檔的相對路徑。
定義特殊規則時將使用到兩個變數:
$(src): $(src)是對於makefile檔目錄的相對路徑,當使用代碼樹中的檔時
使用該變數$(src)。
$(obj): $(obj)是目標檔目錄的相對路徑。生成檔使用$(obj)變數。
例如: #drivers/scsi/Makefile
$(obj)/53c8xx_d.h: $(src)/53c7,8xx.scr $(src)/script_asm.pl
$(CPP) -DCHIP=810 - < $< | ... $(src)/script_asm.pl
這就是使用普通語法的特殊編譯規則。
目標檔依賴於兩個前提檔。目標檔的首碼是$(obj), 前提檔的首碼是
$(src)(因為它們不是生成檔)。
5) 引導映象
體系makefile檔定義了編譯vmlinux檔的目標物件,將它們壓縮和封裝成引導代碼,並複製到合適的位置。這包括各種安裝命令。在Linux中Makefile無法為所有的體系結構提供標準化的方法,因此常需要具體硬體體系結構下makefile提供附加處理規則。
附加處理過程常位於arch/$(ARCH)/下的boot/目錄。
內核編譯體系無法在boot/目錄下提供一種便捷的方法創建目標系統檔。因此arch/$(ARCH)/Makefile要調用make命令在boot/目錄下建立目標系統檔。建議使用的方法是在arch/$(ARCH)/Makefile中設置調用,並且使用完整路徑引用arch/$(ARCH)/boot/Makefile。
例如: #arch/i386/Makefile
boot := arch/i386/boot
bzImage: vmlinux
$(Q)$(MAKE) $(build)=$(boot) $(boot)/$@
建議使用"$(Q)$(MAKE) $(build)=
"方式在子目錄中調用make命令。
當執行不帶參數的make命令時,將首先編譯第一個目標物件。在頂層makefile中第一個目標物件是all:。
一個體系結構需要定義一個默認的可引導映射。
增加新的前提檔給all目標可以設置不同於vmlinux的默認目標物件。
例如: #arch/i386/Makefile
all: bzImage
當執行不帶參數的"make"命令時,bzImage文件將被編譯。
6) 常用編譯命令
if_changed
如果必要,執行傳遞的命令。
用法:
$(builtin-target): $(obj-y) FORCE
$(call if_changed,link_o_target)
當這條規則被使用時它將檢查哪些檔需要更新,或命令行被改變。後面這種情況將迫使
重新編譯編譯選項被改變的執行檔。使用if_changed的目標物件必須列舉在$( builtin-target)中,否則命令行檢查將失敗,目標一直會編譯。
if_changed_dep
如果必要,執行傳遞的命令並更新依賴檔。
用法:
%.o: %.S FORCE
$(call if_changed_dep,as_o_S)
當這條規則被使用時它將檢查哪些檔需要更新,或命令行被改變。同時它會重新檢測依賴關係的改變並將生成新的依賴檔。這是與if_changed命令的區別。
7) 定制命令
當正常執行帶編譯命令時命令的簡短資訊會被顯示(要想顯示詳細的命令,請在命令行中加入V=1)。要讓定制命令具有這種功能需要設置兩個變數:
quiet_cmd_ - 將被顯示的內容
cmd_ - 被執行的命令
例如: #
quiet_cmd_image = BUILD $@
cmd_image = $(obj)/tools/build $(BUILDFLAGS) \
$(obj)/vmlinux.bin > $@
targets += bzImage
$(obj)/bzImage: $(obj)/vmlinux.bin $(obj)/tools/build FORCE
$(call if_changed,image)
@echo 'Kernel: $@ is ready'
執行make命令編譯$(obj)/bzImage目標時將顯示:
BUILD arch/i386/boot/bzImage
8) 預處理鏈結腳本
當編譯vmlinux映射時將使用arch/$(ARCH)/kernel/vmlinux.lds鏈結腳本。
相同目錄下的vmlinux.lds.S檔是這個腳本的預處理的變體。內核編譯系統知曉.lds
文件。並使用規則*lds.S -> *lds。
例如: #arch/i386/kernel/Makefile
always := vmlinux.lds
#Makefile
export CPPFLAGS_vmlinux.lds += -P -C -U$(ARCH)
$(always)賦值語句告訴編譯系統編譯目標是vmlinux.lds。$(CPPFLAGS_vmlinux.lds)
賦值語句告訴編譯系統編譯vmlinux.lds目標的編譯選項。
編譯*.lds時將使用到下面這些變數:
CPPFLAGS : 定義在頂層Makefile
EXTRA_CPPFLAGS : 可以設置在編譯的makefile檔中
CPPFLAGS_$(@F) : 目標編譯選項。注意要使用檔全名。
9) 主機輔助程式的編譯
內核編譯系統支援在編譯階段編譯主機可執行程式。為了使用主機程式需要兩個步驟:第一個步驟使用hostprogs-y變數告訴內核編譯系統有主機程式可用。第二步給主機程式添加潛在的依賴關係。有兩種方法,在規則中增加依賴關係或使用$(always)變數。這一部分的內容相對於其他內核檔的編譯要簡單的多,感興趣的讀者可以參考scripts/Makefile.build中的相關內容。
10) Clean機制
clean命令清除在編譯內核生成的大部分檔,例如主機程式,列舉在 $(hostprogs-y)、$(hostprogs-m)、$(always)、$(extra-y)和$(targets)中目標檔都將被刪除。代碼目錄數中的"*.[oas]"、"*.ko"檔和一些由編譯系統產生的附加檔也將被刪除。
附加檔可以使用$(clean-files)進行定義。
例如: #drivers/pci/Makefile
clean-files := devlist.h classlist.h
當執行"make clean"命令時, "devlist.h classlist.h"兩個檔將被刪除。內核編譯系統默認這些檔與makefile具有相同的相對路徑,否則需要設置以'/'開頭的絕對路徑。
刪除整個目錄使用以下方式:
例如: #scripts/package/Makefile
clean-dirs := $(objtree)/debian/
這樣就將刪除包括子目錄在內的整個debian目錄。如果不使用以'/'開頭的絕對路徑內核編譯系統見默認使用相對路徑。
通常內核編譯系統根據"obj-* := dir/"進入子目錄,但是在體系makefile中需要顯式使用如下方式:
例如: #arch/i386/boot/Makefile
subdir- := compressed/
上面賦值語句指示編譯系統執行"make clean"命令時進入compressed/目錄。
在編譯最終的引導映射檔的makefile中有一個可選的目標物件名稱是archclean。
例如: #arch/i386/Makefile
archclean:
$(Q)$(MAKE) $(clean)=arch/i386/boot
當執行"make clean"時編譯器進入arch/i386/boot並象通常一樣工作。arch/i386/boot 中的makefile檔可以使用subdir-標識進入更下層的目錄。
注意1: arch/$(ARCH)/Makefile不能使用"subdir-",因為它被包含在頂層makefile檔中,在這個位置編譯機制是不起作用的。
注意2: 所有列舉在core-y、libs-y、drivers-y和net-y中的目錄將被"make clean"命令清除。
4 小結
隨著Linux的飛速發展,越來越多的開發人員將關注的焦點集中到Linux的研究和開發上。如果想對Linux內核進行研究和開發,就必須首先熟悉Linux 內核Makefile的組織和編譯過程。目前Linux最新的穩定內核版本為2.6.17,但是當今絕大部分對於Linux Makefile的介紹都是基於2.4內核的,可以說關於2.6內核Makefile相關的文章鳳毛麟角,我特意抽時間完成了這篇分析文章,讓讀者迅速熟悉Linux最新Makefile體系,從而加深對內核的理解,同時也希望能對Linux在公司的推廣起到一定的推動作用。
本文來自CSDN博客,http://blog.csdn.net/mbtrend/archive/2008/10/05/3016889.aspx

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