Linux内核学习（五）：linux kernel源码结构以及makefile分析

前面我们知道了linux内核镜像的生成、加载以及加载工具uboot。

这里我们来看看linux内核的源码的宏观东西，看看这个makefile文件内容。

本文内容全部来自韦神《嵌入式Linux应用开发完全手册》

1、内核源码结构

Linux 内核文件数目将近2万。这些文件的组织结构并不复杂，它们分别位于顶层目录下的17个子目录，各个目录功能独立。表16.2描述了各目录的功能，最后2个目录不包含内核代码。所以多，但是不用怕。

整个栗子看看？
对于ARM 架构的S3C2410、S3C2440，其体系相关的代码在 arch/arm/目录下，在后面进行Linux移植时，开始的工作正是修改这个目录下的文件。如图16.2所示为内核代码的层次结构。所以还可以根据自己的产品在开源的上面形成一些自定义的东西，打造产品的专属内核。

2、Linux Makefile分析

makefile这个文件其实就是解释你的make命令怎么执行的，基于arm的结构比如安卓，还会涉及到一个.mk文件，这个我会写个make、makefile、.mk文件后面好好聊聊。言归正传：

内核中的哪些文件将被编译?
它们是怎样被编译的?
它们连接时的顺序如何确定？
哪个文件在最前面?
哪些文件或函数先执行?
这些都是通过Makefile 来管理的。从最简单的角度来总结 Makefile 的作用，有以下3点。

(1) 决定编译哪些文件。
(2）怎样编译这些文件?
(3）怎样连接这些文件，最重要的是它们的顺序如何?

Linux 内核源码中含有很多个Makefile文件，这些Makefile文件又要包含其他一些文件(比如配置信息、通用的规则等)。这些文件构成了Linux的 Makefile体系，可以分为表16.3中的5类。

内核文档Documentation/kbuild/makefiles.txt对内核中Makefile 的作用、用法讲解得非常透彻，以下根据前面总结的Makefile 的3大作用分析这5类文件。

(1）决定编译哪些文件。

Linux内核的编译过程从顶层Makefile开始，然后递归地进入各级子目录调用它们的Makefile，分为3个步骤。

a. 顶层 Makefile决定内核根目录下哪些子目录将被编进内核。
b. arch/$(ARCH)Makefile决定arch/S(ARCH)目录下哪些文件、哪些目录将被编进内核。
c. 各级子目录下的 Makefile决定所在目录下哪些文件将被编进内核，哪些文件将被编成模块（即驱动程序)，进入哪些子目录继续调用它们的 Makefile。

先看步骤a，在顶层Makefile 中可以看到如下内容:

可见，顶层Makefile将这13个子目录分为5类: init-y、drivers-y、net-y、libs-y和 core-yo

表16.2中有17个子目录，除去 include目录和后面两个不包含内核代码的目录外，还有一个arch目录没有出现在内核中。

它在 arch/S(ARCH)/Makefile中被包含进内核，在顶层Makefile中直接包含了这个Makefile，如下所示:

对于ARCH变量，可以在执行make命令时传入，比如“make ARCH=arm …”。另外，对于非x86平台，还需要指定交叉编译工具，这也可以在执行make命令时传入，比如“make CROSS_COMPILE=arm-linux- …”。为了方便，常在顶层 Makefile 中进行如下修改。

对于步骤b的 arch/S(ARCH)/Makefile

以 ARM体系为例，在 arch/arm/Makefile中可以看到如下内容:

从第94行可知，除前面的5类子目录外，又出现了另一类: head-y，不过它直接以文件名出现。

MMUEXT在 arch/arm/Makefile前面定义，对于没有MMU的处理器，MMUEXT的值为-nommu，使用文件 head-nommu.S;对于有MMU的处理器，MMUEXT的值为空，使用文件head.S。

arch/arm/Makefile中类似第171、172、173行的代码进一步扩展了core-y的内容，第191行扩展了 libs-y的内容，这些都是体系结构相关的目录。

第173~175行中的CONFIGARCH_S3C2410 在配置内核时定义，它的值有3种: y、m或空。

y表示编进内核，m表示编为模块，空表示不使用。

编译内核时，将依次进入init-y、core-y、libs-y、drivers-y和 net-y所列出的目录中执行它们的Makefile，每个子目录都会生成一个built-in.o (libs-y所列目录下，有可能生成lib.a文件)。最后，head-y所表示的文件将和这些built-in.o、lib.a一起被连接成内核映象文件 vmlinux。

最后，看一下步骤c是怎么进行的。

在配置内核时，生成配置文件.config（具体过程后续会将）。

内核顶层Makefile使用如下语句间接包含.config 文件，以后就根据.config 中定义的各个变量决定编译哪些文件。

之所以说是“间接”包含，是因为包含的是include/config/auto.conf文件，而它只是将.config 文件中的注释去掉，并根据顶层 Makefile 中定义的变量增加了一些变量而已。

include/config/auto.conf 文件的生成过程不再描述，它与.config 的格式相同，摘选部分内容如下（注意，下面以“#”开头的行是本书加的注释):

在include/config/auto.conf 文件中，变量的值主要有两类：“y”和“m”。

各级子目录的Makefile使用这些变量来决定哪些文件被编进内核中，哪些文件被编成模块（即驱动程序)；

要进入哪些下一级子目录继续编译,这通过以下4种方法来确定( obj-y、obj-m、lib-y是Makefile中的变量)。

（这里前两天看源码正在纳闷这个是什么标志？）

obj-y 用来定义哪些文件被编进( built-in）内核。

obj-y中定义的.o文件由当前目录下的.c或.S文件编译生成，它们连同下级子目录的built-in.o文件一起被组合成(使用“$(LD)-r”命令)当前目录下的 built-in.o文件。这个built-in.o文件将被它的上一层 Makefile 使用。

obj-y 中各个.o文件的顺序是有意义的，因为内核中用module_init()或._initcall定义的函数将按照它们的连接顺序被调用。

是不是我自己可以定义一个宏，然后加功能进去诶？

obj-m用来定义哪些文件被编译成可加载模块( Loadable module)。

obj-m 中定义的.o文件由当前目录下的.c或.S文件编译生成，它们不会被编进 built-in.o中，而是被编成可加载模块。

一个模块可以由一个或几个.o文件组成。对于只有一个源文件的模块，在 obj-m中直接增加它的.o文件即可。对于有多个源文件的模块，除在 obj-m中增加一个.o文件外，还要定义一个<module_name>-objs变量来告诉Makefile这个.o文件由哪些文件组成。

lib-y用来定义哪些文件被编成库文件。

lib-y中定义的.o文件由当前目录下的.c或.S文件编译生成，它们被打包成当前目录下的-个库文件: lib.a。

同时出现在: obj-y、lib-y 中的.o文件，不会被包含进lib.a 中。

要把这个lib.a编进内核中，需要在顶层 Makefile中 libs-y变量中列出当前目录。

要编成库文件的内核代码一般都在这两个目录下: lib/、arch/$(ARCH)/lib/。

obj-y、obj-m还可以用来指定要进入的下一层子目录。

Linux中一个Makefile 文件只负责生成当前目录下的目标文件，子目录下的目标文件由子目录的 Makefile 生成。

Linux 的编译系统会自动进入这些子目录调用它们的 Makefile，只是在这之前指定这些子目录。这要用到obj-y、obj-m，只要在其中增加这些子目录名即可。

上面知道了怎么看哪些文件需要编译，现在再接着来看看这些文件是怎么编译的。

（2）怎样编译这些文件

编译文件，那么肯定会有相应的编译选项、连接选项，这都是什么？这些选项分3类:

全局的，适用于整个内核代码树;
局部的，仅适用于某个Makefile 中的所有文件;
个体的，仅适用于某个文件。

全局选项在顶层Makefile和 arch/$(ARCH)Makefile中定义，这些选项的名称为:

CFLAGS：编译C文件的选项

AFLAGS：编译汇编文件的选项

LDFLAGS：连接文件的选项

ARFLAGS：制作库文件的选项

需要使用局部选项时，它们在各个子目录中定义，名称为:

EXTRA_CFLAGS 、EXTRA_AFLAGS、EXTRA_LDFLAGS、EXTRA_ARFLAGS，它们的用途与前述选项相同只是适用范围比较小，它们针对当前Makefile中的所有文件。

另外，如果想针对某个文件定义它的编译选项，可以使用CFLAGS_KaTeX parse error: Expected group after '_' at position 9: @，AFLAGS_̲@。

前者用于编译某个C文件，后者用于编译某个汇编文件。

$@表示某个目标文件名，比如以下代码表示编译aha152x.c时，选项中要额外加上“-DAHA152X_STAT -DAUTOCONF"。

需要注意的是，这3类选项是一起使用的，在 scripts/Makefile.lib 中可以看到。

知道了这些编译选项，这些文件是怎么链接的，顺序是什么样的呢？

(3）怎样连接这些文件，它们的顺序如何。

前面分析有哪些文件要编进内核时，顶层 Makefile和 arch/$(ARCH)/Makefile定义了6类目录（或文件): head-y、init-y、drivers-y、net-y、libs-y和 core-y。

它们的初始值如下(（以ARM体系为例)。

可见，除head-y 外，其余的init-y、drivers-y等都是目录名。

在顶层Makefile 中，这些目录名的后面直接加上: built-in.o 或lib.a，表示要连接进内核的文件，如下所示:

上面的patsubst是个字符串处理函数，它的用法如下:

表示寻找“text”中符合格式“pattern”的字，用“replacement”替换它们。比如上面的init-y初值为“init/”，经过第567行的交换后，“init-y”变为“init/built-in.o”。

顶层 Makefile 中，再往下看。

第604行的 vmlinux-all表示所有构成内核映象文件vmlinux的目标文件，

从第602~604行可知这些目标文件的顺序为: head-y、init-y、core-y、libs-y、drivers-y、net-y，即arch/arm/kernel/head.o（假设有MMU，否则为head-nommu.o )、arch/arm/kernel/ init_task.o、init/built-in.o、 usr/built-in.o等。

第605行表示连接脚本为arch/$(ARCH)/kernel/vmlinux.lds。对于ARM体系，连接脚本就是arch/arm/kernel/vmlinux.lds，它由arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S文件生成，规则在scripts/Makefile.build 中，如下所示:

现将生成的arch/arm/kernel/vmlinux.lds摘录如下:

以上就是关于makefile文件的内容，下面对本节分析Makefile 的结果作一下总结。

( 1）配置文件.config 中定义了一系列的变量，Makefile将结合它们来决定哪些文件被编进内核、哪些文件被编成模块、涉及哪些子目录。
(2）顶层Makefile和 arch/S(ARCH)Makefile决定根目录下哪些子目录、arch/S(ARCH)目录下哪些文件和目录将被编进内核。
(3）最后，各级子目录下的 Makefile决定所在目录下哪些文件将被编进内核，哪些文件将被编成模块（即驱动程序)，进入哪些子目录继续调用它们的 Makefile。
(4）顶层 Makefilc和 arch/$(ARCH)/Makefile设置了可以影响所有文件的编译、连接选项:CFLAGS、AFLAGS、LDFLAGS、ARFLAGS。
(5）各级子目录下的 Makefile 中可以设置能够影响当前目录下所有文件的编译、连接选项:EXTRA_CFLAGS、EXTRA_AFLAGS、EXTRA_LDFLAGS、EXTRA_ARFLAGS;还可以设置可以影响某个文件的编译选项:CFLAGS_S@，AFLAGS_S@。
(6）顶层Makefile按照一定的顺序组织文件，根据连接脚本arch/$(ARCH) kernelvmlinux.lds 生成内核映象文件vmlinux。

以上就是整个流程，配置好编译生成了镜像，不过在第一步那里那个config文件是咋个工作和来的呢？下一篇就来看看生成.config的文件–Kcofig