19、深入探究Linux内核的配置与构建

深入探究Linux内核的配置与构建

1. 内核Makefile设置

在 kernel/kernel 目录下存在一个标准的 Makefile 文件，其中包含大量的 make 目标。默认情况下，内核会针对运行该 Makefile 的架构进行构建，大多数情况是某种x86变体。但我们要为ARM目标板进行交叉编译。

可以通过设置环境变量 ARCH 来选择构建的架构，有两种方式实现：
- 命令行设置 ：在调用 make 时设置，例如 make ARCH=arm 。
- 编辑Makefile文件 ：使用喜欢的编辑器打开 kernel/kernel 中的 Makefile 文件，找到第195行，原内容为 ARCH ?= $(SUBARCH) ，将其修改为 ARCH ?= arm 。

下一行定义了 CROSS_COMPILE 变量，它通过为工具名添加前缀来标识交叉工具链。我们的ARM交叉工具链前缀为 arm-linux- ，可以在这里输入，也可以在配置过程中指定。完成修改后保存文件并退出编辑器。

执行 make help 命令，会看到大量按类别划分的 make 目标。我们当前关注的是 Architecture specific targets (arm) 类别，其中有许多以 _defconfig 结尾的目标名，这些目标用于为各种基于ARM的开发板生成默认配置文件。不过，BeagleBone不在默认配置列表中，需要执行以下命令：

cp ../configs/beaglebone arch/arm/configs/beaglebone_defconfig

接着执行 make beaglebone_defconfig ，可能会看到一些关于“recursive dependency detected!”的“错误”，根据 beagleboard.org 论坛的说法，这些错误并无大碍，执行完成后会生成默认配置文件 .config 。

2. 内核配置方式

构建内核的过程始于调用执行配置过程的 make 目标，常见的有以下三种方式：
- make config ：启动一个基于文本的脚本，会依次引导你完成每个配置选项。每个选项通常有三到四个选择，三个选择分别是“y”（是）、“n”（否）和“?”（请求帮助），默认选择以大写显示。部分选项还有第四个选择“m”，表示将该功能构建为可加载的内核模块，而非直接构建到内核映像中。内核模块是动态扩展内核的一种方式，对设备驱动等非常有用。不过， make config 的问题在于非常繁琐，现代内核有超过2000个选项，而通常我们只需要更改少数选项，其余保持默认状态，但该方式会强制你逐个处理每个选项。
- make menuconfig ：基于 ncurses 库，会弹出一个伪图形界面，如图所示。配置选项按类别分组，你只需访问需要更改的选项类别即可。界面说明清晰且较为直观，但它不是真正的图形程序，鼠标无法使用。与 make config 一样，也能获取帮助文本。退出主菜单时，会提示你是否保存新配置。
- make xconfig ：这是作者认为使用起来最方便的方式，它会弹出一个基于X Windows的菜单。使用此选项需要运行X Windows，并且安装 g11 、Qt图形库和Qt开发工具包。在默认显示模式下， xconfig 会在左侧显示配置类别树，选择其中一个类别会在右上角窗口显示该类别的选项，选择某个选项则会在右下角窗口显示该选项的帮助信息。大多数选项以复选框形式呈现，点击复选框可在选中（已选择）和未选中（未选择）状态之间切换，这称为二进制选项。可构建为内核模块的选项有第三种状态，用圆点表示该功能将作为模块构建，这是三态选项。部分选项有除了“是”或“否”之外的一组允许值，用单选按钮表示；还有一些选项需要输入数值，例如“General setup”下的“kernel log buffer size”，双击该选项会在两个右侧窗口之间弹出一个对话框用于输入数值。如果某些选项因其他选项未被选中而不可用，则不会显示。

以下是配置方式的对比表格：
| 配置方式 | 界面类型 | 鼠标支持 | 操作便捷性 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| make config | 文本界面 | 不支持 | 繁琐 |
| make menuconfig | 伪图形界面 | 不支持 | 较便捷 |
| make xconfig | 图形界面 | 支持 | 最便捷 |

3. 尝试xconfig配置

熟悉内核配置选项的最佳方法是启动 xconfig 查看。操作步骤如下：

cd kernel/kernel
make xconfig

经过一段时间的程序和文件构建后，会出现菜单。浏览子菜单及其各种子子菜单，感受Linux内核功能的灵活性和丰富性，并阅读帮助说明。

大多数关键配置选项在默认的 .config 文件中应该已正确设置，但有一个选项尚未设置，即在“General setup”下的“Cross-compiler tool prefix”，需要将其设置为“arm-linux-”。同时，确保在“Network File Systems”下选择“NFS client support”和“Root file system on NFS”。默认配置启用了许多暂时不需要的选项，例如BeagleBone Black没有内置无线支持，因此可以安全地移除蓝牙和所有与“Wireless”相关的选项。

在阅读后续内容时，暂时保持配置菜单打开。 make xconfig 在保存配置方面提供了额外的灵活性，你可以使用“File -> Save As”选项将配置保存到自定义命名的文件中，之后可以使用“File -> Load”加载该文件进行进一步修改或将其设为新的默认配置。

4. xconfig选项介绍

xconfig 菜单的“Option”菜单中有几个有用的选项：
- Show Name ：在右上角面板添加一列，显示每个配置变量的名称。
- Show Range ：显示二进制和三态选项的范围和当前值，作者认为该选项作用不大。
- Show Data ：对于二进制和三态选项，其功能与“Show Range”基本重复，但对数值和文本选项可能有帮助。
- Show All Options ：该选项很容易理解，它会以灰色显示所有因某些条件不满足而无法选择的选项。如果你确定某个选项存在但找不到，可以启用此选项，然后使用“Edit -> Find”搜索其名称。
- Show Prompt Options ：只显示在满足依赖关系的情况下你可以更改的选项。

完成配置后，关闭 xconfig 菜单，系统会询问你是否保存或丢弃更改。

5..config文件说明

真正的内核开发者往往更喜欢使用 make menuconfig 而不是 make xconfig 。无论使用哪种配置方式，最终都会生成一个名为 .config 的文件，其中包含所有配置变量。文件顶部有注释提示“# Automatically generated file; DO NOT EDIT”，手动编辑由工具生成的文件被认为是不好的做法，因为很可能会导致问题。

未选择的选项会保留在文件中，但会被“注释掉”，已选择的选项会被赋予相应的值，如“y”表示将功能构建到内核映像中，“m”表示构建为模块，数值选项则为具体数字，或从列表中选择的元素。 .config 文件会被包含在 Makefile 中，用于控制构建内容和方式。在构建过程早期， .config 文件会被转换为C头文件 include/linux/autoconf.h ，以便配置变量可用于控制条件编译。

6. 构建过程中遇到的问题及解决方法

在构建刚刚打补丁并配置好的内核时，可能会遇到问题。 arch/arm/kernel/return_address.c 文件无法编译，原因是该文件中包含的一个函数在 arch/arm/include/asm/ftrace.h 中也被定义为内联函数。通过网络搜索发现，问题是内核在 gcc 版本6下无法构建，建议回退到 gcc 版本4.9。

但即使构建了 gcc 4.9 工具链，仍然会出现相同的问题。查看 ftrace.h 文件可以发现，存在一个基于几个配置变量的条件判断，最终将 return_address() 函数声明为内联函数而非简单的原型。真正的问题在于这些配置变量由 depends 和 selects 控制，使用 make xconfig 很难更改它们。

解决方法是编辑 ftrace.h 文件，通过注释掉条件判断部分，只保留函数原型。以下是修改后的代码：

// #if defined(CONFIG_FRAME_POINTER) && !defined(CONFIG_ARM_UNWIND)
/*
* return_address uses walk_stackframe to do it's work.  If both
* CONFIG_FRAME_POINTER=y and CONFIG_ARM_UNWIND=y walk_stackframe uses un wind
* information.  For this to work in the function tracer many functions would
* have to be marked with __notrace.  So for now just depend on
* !CONFIG_ARM_UNWIND.
*/
void *return_address(unsigned int);
//#else
//static inline void *return_address(unsigned int level)
//{
//
return NULL;
//}
//#endif

需要注意的是，修改内核源代码需要谨慎，因为更改内核代码可能会在未来引发其他问题，但在这种情况下，该方法似乎可行。

7. 内核构建流程

内核的实际构建过程会根据构建目标的不同而略有差异，下面分别介绍为目标板和工作站构建内核的过程。

7.1 为目标板构建内核

为目标板构建内核的步骤如下：
1. 清理中间文件（可选） ：执行 make clean 命令，该命令会删除之前构建过程中生成的所有中间文件，确保所有内容都根据当前配置选项进行构建。实际上，如果是首次构建，由于没有中间文件需要清理，所以可以不执行此命令。

make clean

2. 构建内核和模块 ：执行 make 命令，这是构建过程的核心步骤，会构建可执行的内核映像和所有内核模块，此过程可能需要一些时间。构建完成后，压缩后的内核映像位于 arch/$(ARCH)/boot/zImage 。

make

3. 安装内核模块（需root权限） ：执行 make modules_install INSTALL_MOD_PATH=/export/rootfs 命令，将内核模块复制到 $(INSTALL_MOD_PATH)/lib/modules/<kernel_version> 目录，其中 <kernel_version> 是标识所构建特定内核的字符串。需要注意的是，为目标板构建时，必须明确指定根文件系统，否则模块会被安装到工作站文件系统的 /lib/modules 目录。严格来说，在这种情况下，此步骤并非必需，因为启动内核不需要任何模块。

sudo make modules_install INSTALL_MOD_PATH=/export/rootfs

构建过程是递归的，内核源代码树中的每个子目录都有自己的 Makefile ，用于处理该目录中的源文件，顶层 Makefile 会递归调用所有子 Makefile 。

7.2 为工作站构建内核

为工作站构建内核的过程与为目标板构建略有不同，具体步骤如下：
1. 安装内核模块（需root权限） ：执行 make modules_install 命令，将内核模块安装到工作站的文件系统中。

sudo make modules_install

2. 安装内核（需root权限） ：执行 make install 命令，该命令会完成以下几件事：
   • 将内核可执行文件（对于x86架构构建为 vmlinuz ）和链接器映射文件 System.map 复制到 /boot 目录。
   • 在 /boot/grub/grub.conf 文件中添加一个新条目，以便GRand统一引导加载程序（GRUB）可以将新内核作为启动选项提供。
   • 在 /boot 目录中创建一个初始RAM磁盘 initrd 。

sudo make install

8. 工作站相关说明

在继续加载和测试新内核之前，有必要对工作站上的两个重要组件进行简要说明。

8.1 GRUB引导加载程序

如今，大多数工作站安装都包含一个名为GRUB（GRand Unified Bootloader）的引导加载程序，用于选择要启动的特定内核或替代操作系统。拥有启动多个内核映像的能力非常重要，例如，如果你构建了一个新内核但无法正常启动，可以随时返回并启动已知能正常工作的映像，然后尝试找出新内核的问题所在。如果你对此感兴趣，可以以root用户身份查看工作站上的 /boot/grub2/grub.cfg 文件。

8.2 初始RAM磁盘（initrd）

大多数Linux内核都设置为使用 initrd （initial ramdisk的缩写）。初始RAM磁盘是一个非常小的Linux文件系统，由引导加载程序加载到RAM中，并在内核启动时挂载，在挂载主根文件系统之前使用。使用 initrd 的常见原因是在挂载根分区之前需要加载一些内核模块，这些模块通常用于支持根分区使用的文件系统（如 ext3 ），或者用于支持硬盘连接的控制器（如SCSI或RAID）。

9. 启动新内核

构建好新内核后，有两种方式可以测试它：
- 将新映像加载到闪存中 ：可以将新内核映像添加到现有的内核映像中，或者替换当前的内核映像。
- 通过TFTP网络启动新映像 ：这在开发环境中非常有利，因为可以快速测试新内核映像，而无需进行耗时的闪存烧录过程。

通过TFTP网络启动新内核映像的具体操作步骤如下：
1. 移动内核映像 ：将 arch/arm/boot/zImage 文件移动到TFTP目录（如 /var/lib/tftpboot ），可以通过对 uEnv.txt 文件进行小修改来实现。
2. 修改uEnv.txt文件 ：复制 uEnv.txt 为 uEnvnet.txt ，并使用编辑器打开。注意文件底部以 netboot = 开头的行，该命令通过TFTP将内核映像加载到内存中，它相当于当前用于从eMMC闪存加载内核映像的 loadkernel 命令。在 uenvcmd 中，将 loadkernel 替换为 netboot 。

cp uEnv.txt uEnvnet.txt
# 编辑uEnvnet.txt，将loadkernel替换为netboot

3. 保存并启动 ：将 uEnvnet.txt 保存到eMMC的引导分区，将开发板启动到u-boot提示符，将 bootenv 更改为 uEnvnet.txt ，然后执行 boot 命令。内核启动后，执行 uname -a 命令，会发现内核映像的时间戳与构建时间一致。

# 假设已经将uEnvnet.txt保存到eMMC的引导分区
# 进入u-boot提示符
setenv bootenv uEnvnet.txt
boot
uname -a

完成上述操作后，你就成功成为一名Linux开发者了！

10. 内核配置背后的原理

虽然这部分信息对于构建内核的过程并非必需，但当你进行设备驱动开发或其他内核增强工作（甚至是对内核进行修改）时，就需要修改控制配置过程的文件。

所有配置菜单中的信息都由一组名为 Kconfig 的文本文件提供，这些文件分散在整个源代码树中。 Kconfig 文件是用配置语言编写的脚本文件，看起来很像shell脚本语言，但并不完全相同。主 Kconfig 文件位于 linux/arch/$(ARCH) 目录下，其中 ARCH 是 Makefile 中标识基础架构的变量。

以 kernel/arch/arm 目录下的 Kconfig 文件为例，找到大约第249行的 menu “System Type” 行，将该文件的结构与从“System Type”开始的配置菜单进行比较，会发现模式非常清晰。每个配置选项由关键字 config 后跟选项的符号名称标识，例如 config MMU ，这些选项会被转换为 Makefile 变量或宏，如 CONFIG_MMU 。 Makefile 使用这些变量来确定要在内核中包含哪些组件，并将 #define 符号传递给源代码。

以下是内核配置与构建的流程图：

graph TD
    A[设置ARCH和CROSS_COMPILE] --> B[生成默认配置文件]
    B --> C{选择配置方式}
    C -->|make config| D[文本配置]
    C -->|make menuconfig| E[伪图形配置]
    C -->|make xconfig| F[图形配置]
    D --> G[构建内核]
    E --> G
    F --> G
    G --> H[清理中间文件]
    H --> I[构建内核和模块]
    I --> J{构建目标}
    J -->|目标板| K[安装模块到目标板根文件系统]
    J -->|工作站| L[安装模块到工作站]
    L --> M[安装内核到工作站]
    K --> N[启动新内核]
    M --> N

通过以上步骤和说明，你可以全面了解Linux内核的配置、构建和启动过程，希望这些内容对你有所帮助。

深入探究Linux内核的配置与构建

11. 总结与注意事项

在整个Linux内核的配置、构建和启动过程中，有许多关键要点需要我们牢记，以下为大家总结梳理：

阶段	关键操作	注意事项
配置	选择合适的配置方式（ make config 、 make menuconfig 、 make xconfig ），设置关键选项如“Cross - compiler tool prefix”为“arm - linux - ”，确保“NFS client support”和“Root file system on NFS”被选中	避免使用 make config 处理大量选项时的繁琐；使用 make xconfig 需安装相关依赖；手动编辑 .config 文件要谨慎
构建	为目标板构建时执行 make clean 、 make 、 make modules_install INSTALL_MOD_PATH=/export/rootfs ；为工作站构建时执行 make modules_install 和 make install	首次构建可跳过 make clean ；为目标板构建时需指定根文件系统；修改内核源代码要谨慎，可能引发后续问题
启动	通过TFTP网络启动新内核，移动内核映像，修改 uEnv.txt 文件	确保TFTP目录设置正确， uEnvnet.txt 文件修改无误

同时，我们还需要注意以下几点：
- 内核源代码修改 ：修改内核源代码是一个需要极为谨慎的操作，因为这可能会在未来引发难以预料的问题。在修改之前，一定要充分了解相关代码的功能和影响。
- 依赖关系 ：内核配置选项之间存在复杂的依赖关系，某些选项的选择会影响其他选项的可用性。在进行配置时，要仔细阅读帮助信息，确保满足依赖条件。
- 权限问题 ：在安装内核模块和内核时，通常需要root权限。在执行相关命令时，要确保自己具有足够的权限，避免因权限不足导致操作失败。

12. 常见问题及解决办法

在Linux内核的配置、构建和启动过程中，可能会遇到各种问题，下面为大家列举一些常见问题及相应的解决办法：

12.1 配置阶段问题

• 找不到特定选项 ：如果确定某个选项存在但找不到，可以在 make xconfig 中启用“Show All Options”选项，然后使用“Edit -> Find”搜索其名称。
• 选项不可用 ：某些选项可能因为其他选项未被选中而不可用。检查相关依赖选项，确保满足其条件。

12.2 构建阶段问题

• 编译错误 ：如 arch/arm/kernel/return_address.c 文件无法编译，可能是由于配置变量或编译器版本问题。可以尝试回退到合适的编译器版本，或者像前面提到的那样编辑相关头文件。
• 依赖错误 ：如果出现依赖错误，检查配置选项是否正确，确保所有依赖的模块和库都已正确安装。

12.3 启动阶段问题

• 内核无法启动 ：可能是内核配置不正确、内核映像损坏或引导参数错误。检查配置选项，确保内核映像完整，检查 uEnv.txt 或其他引导配置文件是否正确。
• 网络启动失败 ：检查TFTP服务是否正常运行，内核映像是否正确移动到TFTP目录， uEnvnet.txt 文件中的网络启动命令是否正确。

以下是问题与解决办法的对应表格：
| 问题类型 | 具体问题 | 解决办法 |
| ---- | ---- | ---- |
| 配置阶段 | 找不到特定选项 | 启用“Show All Options”，使用“Edit -> Find”搜索 |
| 配置阶段 | 选项不可用 | 检查相关依赖选项，确保满足条件 |
| 构建阶段 | 编译错误 | 回退编译器版本，编辑相关头文件 |
| 构建阶段 | 依赖错误 | 检查配置选项，确保依赖模块和库已安装 |
| 启动阶段 | 内核无法启动 | 检查配置、内核映像和引导参数 |
| 启动阶段 | 网络启动失败 | 检查TFTP服务、内核映像位置和启动命令 |

13. 进阶操作建议

对于已经掌握了基本的内核配置与构建的开发者来说，还可以尝试一些进阶操作，进一步提升对Linux内核的理解和应用能力。

13.1 定制内核功能

根据实际需求，有针对性地定制内核功能。例如，如果设备不需要某些功能，可以在配置阶段将其禁用，以减小内核体积，提高系统性能。可以通过 make xconfig 等配置方式，仔细筛选每个配置选项，去除不必要的功能。

13.2 开发内核模块

学习开发内核模块，这是动态扩展内核功能的重要方式。可以从简单的设备驱动模块开始，逐步深入了解内核模块的开发流程和技术。开发内核模块需要掌握一定的内核编程知识和工具，如 insmod 、 rmmod 等命令用于加载和卸载模块。

13.3 性能优化

对内核进行性能优化，提高系统的响应速度和稳定性。可以通过调整内核参数、优化内存管理、调整调度算法等方式实现。例如，合理设置内核日志缓冲区大小、调整内存分配策略等。

以下是进阶操作的步骤列表：
1. 定制内核功能 ：
- 进入内核源代码目录。
- 执行 make xconfig 打开配置界面。
- 仔细筛选配置选项，禁用不需要的功能。
- 保存配置并重新构建内核。
2. 开发内核模块 ：
- 学习内核编程基础知识。
- 编写内核模块代码。
- 使用 make 命令编译模块。
- 使用 insmod 命令加载模块， rmmod 命令卸载模块。
3. 性能优化 ：
- 了解内核参数和调度算法。
- 调整相关参数，如内核日志缓冲区大小、内存分配策略等。
- 重新构建并启动内核，测试性能提升效果。

14. 未来发展趋势

随着技术的不断发展，Linux内核也在不断演进，未来可能会呈现以下发展趋势：

14.1 支持更多硬件平台

随着硬件技术的不断创新，新的硬件平台不断涌现。Linux内核将继续加强对各种硬件平台的支持，包括新兴的物联网设备、人工智能芯片等，以满足不同领域的需求。

14.2 强化安全性

安全问题一直是操作系统领域的重要关注点。未来，Linux内核将进一步强化安全性，采用更先进的安全机制和技术，如加密技术、访问控制等，保护系统免受各种安全威胁。

14.3 提高性能和效率

为了适应日益增长的计算需求，Linux内核将不断优化性能和效率。通过改进调度算法、内存管理等方面，提高系统的响应速度和资源利用率。

14.4 融合新技术

随着人工智能、大数据等新技术的发展，Linux内核可能会融合这些新技术，为用户提供更强大的功能和服务。例如，利用人工智能技术优化内核调度，提高系统性能。

以下是未来发展趋势的表格总结：
| 发展趋势 | 具体内容 |
| ---- | ---- |
| 支持更多硬件平台 | 加强对物联网设备、人工智能芯片等新硬件平台的支持 |
| 强化安全性 | 采用加密技术、访问控制等先进安全机制 |
| 提高性能和效率 | 改进调度算法、内存管理等方面 |
| 融合新技术 | 融合人工智能、大数据等新技术，优化内核功能 |

15. 总结

通过本文的介绍，我们详细了解了Linux内核的配置、构建、启动过程，以及背后的原理和常见问题的解决办法。同时，我们还探讨了进阶操作建议和未来发展趋势。希望这些内容能够帮助大家更好地掌握Linux内核技术，在实际开发和应用中发挥更大的作用。

在学习和实践过程中，要不断积累经验，勇于尝试新的技术和方法，逐步提升自己的能力。相信随着不断的探索和实践，大家能够在Linux内核领域取得更好的成果。

最后，再次提醒大家，在进行内核开发和修改时，一定要谨慎操作，确保系统的稳定性和安全性。祝愿大家在Linux内核的学习和应用中取得成功！