1 核心編譯過程

學習Linux核心除了必備的基礎知識、搭建Linux環境、下載核心原始碼和準備相關資源之外，第一件要做的事情應該就是編譯自己的Linux核心，然後執行編譯出來的核心。核心從配置，到編譯，再到安裝的命令非常簡單，只要按順序執行下面幾個命令就可完成：

1.核心配置：make menuconfig

2.核心編譯：make

3.安裝模組：make modules_install

4.安裝核心：make install

按順序執行完上面的命令後，重啟Linux系統，就是啟動剛編譯好的核心了。雖然Linux核心的編譯很簡單，但若想進一步的學習和定製Linux，就必須進一步瞭解核心編譯過程及原理。下面詳細的介紹Linux核心的編譯過程。

雖然Linux核心按預設的配置和編譯很簡單，但若想進一步的學習、定製和開發核心，就必須進一步瞭解核心編譯過程及原理。下面按核心的編譯順序進行詳細的介紹。

1.1 核心配置

Linux核心在下載解壓後需要先配置然後才能編譯。原始碼樹的每個目錄下都有一個檔案Kconfig,這個分佈到各目錄的Kconfig構成了一個分散式的核心配置資料庫，每個Kconfig分別描述了所屬目錄源文件相關的核心配置選單。在執行核心配置命令時，從Kconfig中讀出選單的資訊供使用者進行選擇，配置的命令如下：

1）make config：基於文字的最為傳統的一行一行的配置命令配置，不推薦使用。

2）make menuconfig：基於文字選單的配置介面，字元終端下推薦使用。

3）make xconfig：基於圖形視窗模式的配置介面，Xwindow下推薦使用。

以上命令會在scripts/kconfig/目錄下生成一個小工具，如：make menuconfig會生成mconf，然後用這個小工具根據各級目錄的Kconfig檔案在介面上展現選項供使用者選擇，執行完後生成一個.config檔案儲存使用者的核心配置選項，選擇相應的配置時，有三種選擇，它們分別代表的含義如下：

Y--將該功能編譯進核心。

N--不將該功能編譯進核心。

M--將該功能編譯成可以在需要時動態插入到核心中的模組。

make menuconfig命令執行介面就是由mconf小工具顯示的，介面如下：

根據自己的需要選擇適當的配置項，如果沒有特別的目的，按預設值配置即可，配置程式結束將在原始碼主目錄生成一個.config檔案，在核心編譯時，主Makefile呼叫這個.config就知道了使用者的選擇了。

1.2 編譯核心

從Linux核心2.6開始，Linux核心的編譯採用Kbuild系統，這和過去的編譯系統有很大的不同，尤其對於Linux核心模組的編譯。在新的系統下，Linux編譯系統會兩次掃描Linux的Makefile：首先編譯系統會讀取Linux核心頂層的Makefile，然後根據讀到的內容第二次讀取Kbuild的Makefile來編譯Linux核心。

1.2.1 生成vmlinux

頂層 Makefile 有兩個主要的目標，第一個目標就是生成vmlinux核心映像。頂層 Makefile 包含一個體繫結構 Makefile，由 arch/$(ARCH)/Makefile 指定，為頂層 Makefile 提供了特定體系結構的資訊。每個子目錄各有一個 Kbuild檔案和Makefile 檔案用來執行從上層傳遞下來的命令。Kbuild和Makefile利用.config 檔案中的資訊來構造得到沒有壓縮的核心vmlinux。

vmlinux是未壓縮的、原始的核心映像，編譯出來後放在原始碼主目錄裡，此檔案是ELF格式的檔案，通過readelf -S vmlinux命令可以檢視裡面的各部分的細節。“vm”代表“Virtual Memory”，Linux 支援虛擬記憶體，不像老的作業系統比如DOS有640KB記憶體的限制，Linux能夠使用硬碟空間作為虛擬記憶體，因此得名“vm”。

1.2.2 生成System.map

未壓縮的vmlinux生成後，make程式呼叫nm命令生產System.map。System.map是核心符號表檔案。Linux核心是一個很複雜的程式碼塊，有許許多多的全域性符號，Linux核心不使用符號名，而是通過變數或函式的地址來識別變數或函式名，比如像c0343f20這樣引用一個變數。雖然核心本身並不真正使用System.map，對於進行程式設計來說，人們更喜歡使用那些像size_t BytesRead這樣的名字，而不喜歡像c0343f20這樣的地址，所以編譯器/聯結器允許我們編碼時使用符號名，而核心執行時使用地址。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，比如klogd，lsof和ps等軟體需要一個正確的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，這對於排除程式故障會帶來困難。另外少數驅動需要System.map來解析符號，沒有為你當前執行的特定核心建立的System.map它們就不能正常工作。所以System.map對需要知道核心符號與地址對應關係的程式來說是相當重要的。

1.3 生成可引導的核心映像

未壓縮的vmlinux映像編譯出來後可能有100+MB，這麼大的檔案是需要通過壓縮才能生成能被Bootloader載入的核心映像。編譯時會先壓縮vmlinux映像，然後生成setup載入程式，最後把壓縮的vmlinux映像和setup載入程式打包成可引導的核心映像檔案。

1.3.1 壓縮vmlinux

未壓縮的vmlinux編譯出來後放在原始碼的主目錄下，壓縮的vmlinux編譯出來後放在arch/x86/boot/compressed/目錄下，兩個檔案是不一樣的，別搞混淆了。具體的壓縮步驟如下圖所示：

（1）通過objcopy命令把原始的vmlinux檔案中的除錯等資訊去掉生產vmlinux.bin檔案，此檔案是還沒有壓縮的ELF檔案，通過readelf命令可以比較出它和原始vmlinux檔案的區別。

（2）編譯一個小程式relocs，把原始的vmlinux中的需要重定位值的地址取出寫入vmlinux.relocs檔案，然後，將vmlinux.bin和vmlinux.relocs通過gzip壓縮成vmlinux.bin.gz。

（3）編譯一個小程式mkpiggy，計算vmlinux.bin.gz的壓縮前大小，解壓後大小，解壓偏移地址等資訊，生產一個小彙編檔案piggy.S。此檔案通過.incbin偽指令直接將vmlinux.bin.gz二進位制檔案插入到目標檔案中的input_data下標處，編譯此彙編檔案將會生產一個包含有vmlinux.bin.gz二進位制資料的piggy.o檔案。

（4）把vmlinux.lds（連結描述檔案，指明入口點為startup_32，各節的VMA等）、head_32.o（包含入口點startup_32的程式碼，然後呼叫解壓程式）、misc.o（包含解壓演算法的程式碼）、piggy.o檔案一起連結生成壓縮後的vmlinux映像。

壓縮後的vmlinux映像也是ELF檔案通常只有幾MB，裡面包含了自解壓的程式碼，用readelf -S vmlinux命令可以看到裡面有一個.rodata.compressed節，存放著壓縮的核心映像資料。

1.3.2 生成setup程式

光有壓縮vmlinux核心映像是不夠的，因為Bootloader執行在真實模式下功能及定址能力都很有限，所以需要加入一個程式用來接管Bootloader的控制權、初始化系統、開啟保護模式等，這個程式就是核心setup程式。編譯時make程式把setup.ld、及arch/x86/boot/目錄下的main.c、pm.c、pmjump.S、video.c等原始檔編譯生成setup.elf程式。

1.3.3 生成bzImage

setup.elf程式和壓縮的vmlinux都是ELF格式的檔案。因為ELF檔案附加了很多如檔案頭、符號表、重定位表等資訊，這些資訊對Bootloader載入核心是沒有意義的，所以make程式通過objcopy命令提取setup.elf和壓縮的vmlinux中有效的裸二進位制資料生成setup.bin和vmlinux.bin兩個檔案，然後編譯一個小程式build,把setup.bin和vmlinux.bin合在一起生成bzImage。

bzImage是可引導的、壓縮的核心映像。雖然它裡面包含了壓縮的vmlinux，但不能通過gunzip 或 gzip解壓,只能通過Bootloader引導和解壓。bzImage是編譯核心時通過命令make bzImage建立，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”的意思，它解壓縮到高階記憶體（1M以上）。與bzImage對應的是zImage，不過現在PC中很少用到一般用於嵌入式系統，編譯時通過“make zImage”建立的，適用於小核心的情況，它解壓縮到低端記憶體（第一個640K）。bzImage和zImage兩種方式引導的系統執行時是相同的，如果核心比較小，那麼可以採用zImage 或bzImage之一，大的核心必須採用bzImage，不能採用zImage。

1.4 編譯及安裝模組

Linux核心是由一個個模組組成的一個集合，這些模組可以在編譯核心時一起編譯到核心中，也可以在執行時動態地載入到核心中，核心模組是Linux向外部提供的一個介面，其全稱是:動態可載入核心模組(Loadable Kernel Module，LKM)，簡稱模組。Linux之所以提供模組機制,是因為Linux核心本身是一個單核心（Monolithic Kernel）結構，最大的優點就是效率高，因為所有內容都整合在一起，但其缺點是可擴充套件性和可維護性較差，模組機制就是為了彌補這一缺陷而設計的。模組是具有獨立功能的程式，它可以被單獨編譯，但是不能單獨執行，因為它沒有單獨的main()函式，只有初始化函式，模組在執行時被連結到核心並作為核心的一部分在核心空間中執行，這與執行在使用者空間下的程序是不同的，模組通常由一組函式和資料結構組成，用來實現一種檔案系統、一個驅動程式、一個作業系統服務、增加一個新的系統呼叫，或其它核心上層的功能。總之，模組是一個為核心或其他核心模組提供使用功能的程式碼塊。

頂層 Makefile 編譯出vmlinux後將會編譯 modules(所有模組檔案)，首先生成組成模組的對應 .o 檔案和 .mod 檔案，然後用 scripts/mod/modpost 來生成 .mod.c 檔案，並將其編譯成 .mod.o 物件檔案，最後將 .mod.o 連同前面的 .o 一起連結成 .ko 模組檔案。另外，在生成vmlinux的過程中，會在核心頂層目錄中生成一個 Modules.symvers，裡面存放基本核心匯出的、供模組使用的符號以及CRC校驗和。

編譯完所以模組後，核心的編譯任務就算完成了，接下來就是呼叫make  modules_install安裝模組，安裝時呼叫指令碼/sbin/installkernel根據在核心配置、編譯階段生成的核心模組以及模組依賴關係/lib/modules/<version>/modules.dep制模組檔案到/lib/modules/<version>目錄下，安裝完成。

1.5 安裝核心

安裝完模組後接著安裝核心，make install命令呼叫了核心目錄中的install.sh的shell指令碼完成安裝任務。

1.5.1 生成initramfs

當Linux核心啟動系統時，它必須找到並執行第一個使用者程式通常被稱為init，方能成功開機。由於使用者程式是儲存在檔案系統中的，因此Linux核心必須先找到並掛上第一個“根”檔案系統。通常，可用的檔案系統列在檔案/etc/fstab裡，以便mount能夠找到它們。但/etc/fstab本身就是一個儲存在檔案系統中檔案中。所以找到第一個檔案系統成為雞生蛋蛋生雞的問題。

為了解決這個問題，核心開發者建立核心命令列選項 “root=”，用來指定root檔案系統在哪個裝置上。十五年前，“root=”所指的裝置很容易找到，因為它不是在軟盤上就是硬碟的分割槽上。如今root檔案系統可以儲存在大量各種不同型別的硬體(SCSI, SATA, flash MTD，USB)上，甚至是由不同型別硬體所建立的RAID上。root檔案系統還可以存在主機外部的網路伺服器上（核心找到“root”前得先取得DHCP地址，完成DNS lookup，並 使用帳號及密碼 登入到遠端伺服器）。 root檔案系統的位置很可能每次啟動都在不同的位置。除了位置策略，root檔案系統的儲存方式也存在策略需要，比如，root檔案系統也可能被壓縮(如何？)，被加密(用什麼keys？)，或 loopback掛接(哪裡？)……不管處理root的策略如何，記住核心最終的目標還是找到根檔案系統並執行其上的第一個init程式，完成開機。

面對如此多的動態策略，單一命令列引數（root=）遠遠不能滿足了。即使將所有特殊案例的行為（裝置列舉，加金鑰，或網路登入）都硬編碼入進核心也無濟於事，因為特殊的系統太多了。更糟的是，替核心加入這些複雜行為的工作，就像是用匯編語言寫web軟體：即便可以做到，但也不能很划算很容易的通過使用適當工具完成。隨著核心的發展，為了解決這個無休止甚至在不斷增加複雜度的問題，核心開發者決定收回現有解決方案，重新尋求更好的整體的解決方案。

Linux 2.6核心將一個小的ram-based initial root filesystem(initramfs)連線入核心，initramfs一個壓縮過的cpio格式的打包檔案。當核心啟動時，會從這個打包檔案中匯出檔案到核心的rootfs檔案系統， 然後核心檢查rootfs中是否包含有init檔案，如果有則執行它，作為PID為1的第一個程序。這個init程序負責啟動系統後續的工作，包括定位、 掛載“真正的”根檔案系統裝置（如果有的話）。如果核心沒有在rootfs中找到init檔案，則核心會按以前版本的方式定位、掛載根分割槽，然後執行 /sbin/init程式完成系統的後續初始化工作。

安裝核心時make install命令呼叫了核心目錄中的install.sh的shell指令碼來完成安裝任務。install.sh呼叫/sbin/installkernel指令碼，/sbin/installkernel最終呼叫/sbin/dracut把initramfs安裝到/boot目錄下。

1.5.2 生成vmlinuz

vmlinuz是最終安裝後的Linux核心，放在/boot目錄下，並不會出現在原始碼目錄中，檔名可能帶有版本字尾等資訊，它其實是bzImage或zImage安裝後的別名。 安裝核心命令呼叫了核心目錄中的install.sh的shell指令碼。該指令碼首先將bzImage、System.map複製到/boot目錄，並將這兩個檔案依次改名為vmlinuz-<version>,System.map-<version>。接著修改/boot/grub/grub.conf檔案、新增新的引導選單，安裝完成。

核心編譯安裝完成之後，就可以重啟系統了。