linux核心的設定系統由幾部分組成

linux核心的設定系統由3部分組成：1、Makefile，分佈在Linux核心原始碼根目錄及各層目錄中，定義Linux核心的編譯規則；2、組態檔（config.in），給使用者提供設定選擇的能力；3、設定工具，包括設定命令直譯器（對設定指令碼中使用的設定命令進行解釋）和設定使用者介面。

本教學操作環境：linux7.3系統、Dell G3電腦。

Linux核心的設定系統由三部分組成，它們分別是：Makefile、組態檔（ config.in ）、設定工具。

Makefile：分佈在 Linux 核心原始碼根目錄及各層目錄中，定義 Linux 核心的編譯規則；
組態檔（config.in）：給使用者提供設定選擇的能力；
設定工具：包括設定命令直譯器（對設定指令碼中使用的設定命令進行解釋）和設定使用者介面（提供基於字元介面、基於 Ncurses 圖形介面以及基於 Xwindows 圖形介面的使用者設定介面，各自對應於 Make config、Make menuconfig 和 make xconfig）。

這些設定工具都是使用指令碼語言，如 Tcl/TK、Perl 編寫的（也包含一些用 C 編寫的程式碼）。本文並不是對設定系統本身進行分析，而是介紹如何使用設定系統。所以，除非是設定系統的維護者，一般的核心開發者無須瞭解它們的原理，只需要知道如何編寫 Makefile 和組態檔就可以。所以，在本文中，我們只對 Makefile 和組態檔進行討論。另外，凡是涉及到與具體 CPU 體系結構相關的內容，我們都以 ARM 為例，這樣不僅可以將討論的問題明確化，而且對內容本身不產生影響。

Makefile

Makefile概述

Makefile的作用是根據設定的情況，構造出需要編譯的原始檔列表，然後分別編譯，並把目的碼連結到一起，最終形成linux核心二進位制檔案。

由於Linux核心原始碼是按照樹形結構組織的，所以Makefile也被分佈在目錄樹中。Linux核心中的Makefile以及Makefile直接相關的檔案有：

Makefile：頂層 Makefile，是整個核心設定、編譯的總體控制檔案。
.config：核心組態檔，包含由使用者選擇的設定選項，用來存放核心設定後的結果（如 make config）。
arch/*/Makefile：位於各種 CPU 體系目錄下的 Makefile，如 arch/arm/Makefile，是針對特定平臺的 Makefile。
各個子目錄下的 Makefile：比如 drivers/Makefile，負責所在子目錄下原始碼的管理。
Rules.make：規則檔案，被所有的 Makefile 使用。

使用者通過 make config 設定後，產生了 .config。頂層 Makefile 讀入 .config 中的設定選擇。頂層 Makefile 有兩個主要的任務：產生 vmlinux 檔案和核心模組（module）。為了達到此目的，頂層 Makefile 遞迴的進入到核心的各個子目錄中，分別呼叫位於這些子目錄中的 Makefile。至於到底進入哪些子目錄，取決於核心的設定。在頂層 Makefile 中，有一句：include arch/$(ARCH)/Makefile，包含了特定 CPU 體系結構下的 Makefile，這個 Makefile 中包含了平臺相關的資訊。

位於各個子目錄下的 Makefile 同樣也根據 .config 給出的設定資訊，構造出當前設定下需要的原始檔列表，並在檔案的最後有 include $(TOPDIR)/Rules.make。

Rules.make 檔案起著非常重要的作用，它定義了所有 Makefile 共用的編譯規則。比如，如果需要將本目錄下所有的 c 程式編譯成組合程式碼，需要在 Makefile 中有以下的編譯規則：

%.s: %.c
$(CC)$ (CFLAGS) -S <−o <script type="math/tex" id="MathJax-Element-56">< -o </script>@

有很多子目錄下都有同樣的要求，就需要在各自的 Makefile 中包含此編譯規則，這會比較麻煩。而 Linux 核心中則把此類的編譯規則統一放置到 Rules.make 中，並在各自的 Makefile 中包含進了 Rules.make（include Rules.make），這樣就避免了在多個 Makefile 中重複同樣的規則。對於上面的例子，在 Rules.make 中對應的規則為：

%.s: %.c
$(CC)$ (CFLAGS) $(EXTRA_CFLAGS)$ (CFLAGS_ $(*F))$ (CFLAGS_ $@) -S$ < -o $@

Makefile中的變數

頂層 Makefile 定義並向環境中輸出了許多變數，為各個子目錄下的 Makefile 傳遞一些資訊。有些變數，比如 SUBDIRS，不僅在頂層 Makefile 中定義並且賦初值，而且在 arch/*/Makefile 還作了擴充。

常用的變數有以下幾類：

1）版本資訊
版本資訊有：VERSION，PATCHLEVEL, SUBLEVEL, EXTRAVERSION，KERNELRELEASE。版本資訊定義了當前核心的版本，比如 VERSION=2，PATCHLEVEL=4，SUBLEVEL=18，EXATAVERSION=-rmk7，它們共同構成核心的發行版本KERNELRELEASE：2.4.18-rmk7

2） CPU 體系結構：ARCH
在頂層 Makefile 的開頭，用 ARCH 定義目標 CPU 的體系結構，比如 ARCH:=arm 等。許多子目錄的 Makefile 中，要根據 ARCH 的定義選擇編譯原始檔的列表。

3）路徑資訊：TOPDIR, SUBDIRS
TOPDIR 定義了 Linux 核心原始碼所在的根目錄。例如，各個子目錄下的 Makefile 通過 $(TOPDIR)/Rules.make 就可以找到 Rules.make 的位置。
SUBDIRS 定義了一個目錄列表，在編譯核心或模組時，頂層 Makefile 就是根據 SUBDIRS 來決定進入哪些子目錄。SUBDIRS 的值取決於核心的設定，在頂層 Makefile 中 SUBDIRS 賦值為 kernel drivers mm fs net ipc lib；根據核心的設定情況，在 arch/*/Makefile 中擴充了 SUBDIRS 的值，參見4）中的例子。

4）核心組成資訊：HEAD, CORE_FILES, NETWORKS, DRIVERS, LIBS
Linux 核心檔案 vmlinux 是由以下規則產生的：

vmlinux: $(CONFIGURATION) init/main.o init/version.o linuxsubdirs
    $(LD) $(LINKFLAGS) $(HEAD) init/main.o init/version.o \
        --start-group \
        $(CORE_FILES) \
        $(DRIVERS) \
        $(NETWORKS) \
        $(LIBS) \
        --end-group \
        -o vmlinux
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可以看出，vmlinux 是由 HEAD、main.o、version.o、CORE_FILES、DRIVERS、NETWORKS 和 LIBS 組成的。這些變數（如 HEAD）都是用來定義連線生成 vmlinux 的目標檔案和庫檔案列表。其中，HEAD在arch/*/Makefile 中定義，用來確定被最先連結進 vmlinux 的檔案列表。比如，對於 ARM 系列的 CPU，HEAD 定義為：

HEAD            := arch/arm/kernel/head-$(PROCESSOR).o \
                   arch/arm/kernel/init_task.o
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表明 head-$(PROCESSOR).o 和 init_task.o 需要最先被連結到 vmlinux 中。PROCESSOR 為 armv 或 armo，取決於目標 CPU。 CORE_FILES，NETWORK，DRIVERS 和 LIBS 在頂層 Makefile 中定義，並且由 arch/*/Makefile 根據需要進行擴充。 CORE_FILES 對應著核心的核心檔案，有 kernel/kernel.o，mm/mm.o，fs/fs.o，ipc/ipc.o，可以看出，這些是組成核心最為重要的檔案。同時，arch/arm/Makefile 對 CORE_FILES 進行了擴充：

# arch/arm/Makefile
# If we have a machine-specific directory, then include it in the build.
MACHDIR         := arch/arm/mach-$(MACHINE)
ifeq ($(MACHDIR),$(wildcard $(MACHDIR)))
SUBDIRS         += $(MACHDIR)
CORE_FILES      := $(MACHDIR)/$(MACHINE).o $(CORE_FILES)
endif
HEAD            := arch/arm/kernel/head-$(PROCESSOR).o \
                   arch/arm/kernel/init_task.o
SUBDIRS         += arch/arm/kernel arch/arm/mm arch/arm/lib arch/arm/nwfpe
CORE_FILES      := arch/arm/kernel/kernel.o arch/arm/mm/mm.o $(CORE_FILES)
LIBS            := arch/arm/lib/lib.a $(LIBS)
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5）編譯資訊：CPP, CC, AS, LD, AR，CFLAGS，LINKFLAGS
在 Rules.make 中定義的是編譯的通用規則，具體到特定的場合，需要明確給出編譯環境，編譯環境就是在以上的變數中定義的。針對交叉編譯的要求，定義了 CROSS_COMPILE。比如：

CROSS_COMPILE   = arm-linux-
CC              = $(CROSS_COMPILE)gcc
LD              = $(CROSS_COMPILE)ld
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CROSS_COMPILE 定義了交叉編譯器字首 arm-linux-，表明所有的交叉編譯工具都是以 arm-linux- 開頭的，所以在各個交叉編譯器工具之前，都加入了 $(CROSS_COMPILE)，以組成一個完整的交叉編譯工具檔名，比如 arm-linux-gcc。
CFLAGS 定義了傳遞給 C 編譯器的引數。
LINKFLAGS 是連結生成 vmlinux 時，由連結器使用的引數。LINKFLAGS 在 arm/*/Makefile 中定義，比如：

# arch/arm/Makefile
LINKFLAGS       :=-p -X -T arch/arm/vmlinux.lds
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Rules.make變數

前面講過，Rules.make 是編譯規則檔案，所有的 Makefile 中都會包括 Rules.make。Rules.make 檔案定義了許多變數，最為重要是那些編譯、連結列表變數。

O_OBJS，L_OBJS，OX_OBJS，LX_OBJS：本目錄下需要編譯進 Linux 核心 vmlinux 的目標檔案列表，其中 OX_OBJS 和 LX_OBJS 中的「X」表明目標檔案使用了 EXPORT_SYMBOL 輸出符號。

M_OBJS，MX_OBJS：本目錄下需要被編譯成可裝載模組的目標檔案列表。同樣，MX_OBJS 中的「X」表明目標檔案使用了 EXPORT_SYMBOL 輸出符號。

O_TARGET，L_TARGET：每個子目錄下都有一個 O_TARGET 或 L_TARGET，Rules.make 首先從原始碼編譯生成 O_OBJS 和 OX_OBJS 中所有的目標檔案，然後使用 $(LD) -r 把它們連結成一個 O_TARGET 或 L_TARGET。O_TARGET 以 .o 結尾，而 L_TARGET 以 .a 結尾。

子目錄Makefile

目錄 Makefile 用來控制本級目錄以下原始碼的編譯規則。我們通過一個例子來講解子目錄 Makefile 的組成：

# Makefile for the linux kernel.
#
# All of the (potential) objects that export symbols.
# This list comes from 'grep -l EXPORT_SYMBOL *.[hc]'.
export-objs := tc.o
# Object file lists.
obj-y       :=
obj-m       :=
obj-n       :=
obj-        :=
obj-$(CONFIG_TC) += tc.o
obj-$(CONFIG_ZS) += zs.o
obj-$(CONFIG_VT) += lk201.o lk201-map.o lk201-remap.o
# Files that are both resident and modular: remove from modular.
obj-m       := $(filter-out $(obj-y), $(obj-m))
# Translate to Rules.make lists.
L_TARGET    := tc.a
L_OBJS      := $(sort $(filter-out $(export-objs), $(obj-y)))
LX_OBJS     := $(sort $(filter     $(export-objs), $(obj-y)))
M_OBJS      := $(sort $(filter-out $(export-objs), $(obj-m)))
MX_OBJS     := $(sort $(filter     $(export-objs), $(obj-m)))
include $(TOPDIR)/Rules.make
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a) 註釋

對 Makefile 的說明和解釋，由#開始。

b) 編譯目標定義

類似於 obj-(CONFIGTC)+=tc.o的語句是用來定義編譯的目標，是子目錄Makefile中最重要的部分。編譯目標定義那些在本子目錄下，需要編譯到Linux核心中的目標檔案列表。為了只在使用者選擇了此功能後才編譯，所有的目標定義都融合了對設定變數的判斷。前面說過，每個設定變數取值範圍是：y，n，m和空，obj−(CONFIG_TC) 分別對應著 obj-y，obj-n，obj-m，obj-。如果 CONFIG_TC 設定為 y，那麼 tc.o 就進入了 obj-y 列表。obj-y 為包含到 Linux 核心 vmlinux 中的目標檔案列表；obj-m 為編譯成模組的目標檔案列表；obj-n 和 obj- 中的檔案列表被忽略。設定系統就根據這些列表的屬性進行編譯和連結。

export-objs 中的目標檔案都使用了 EXPORT_SYMBOL() 定義了公共的符號，以便可裝載模組使用。在 tc.c 檔案的最後部分，有「EXPORT_SYMBOL(search_tc_card);」，表明 tc.o 有符號輸出。

這裡需要指出的是，對於編譯目標的定義，存在著兩種格式，分別是老式定義和新式定義。老式定義就是前面 Rules.make 使用的那些變數，新式定義就是 obj-y，obj-m，obj-n 和 obj-。Linux 核心推薦使用新式定義，不過由於 Rules.make 不理解新式定義，需要在 Makefile 中的適配段將其轉換成老式定義。

c) 適配段

適配段的作用是將新式定義轉換成老式定義。在上面的例子中，適配段就是將 obj-y 和 obj-m 轉換成 Rules.make 能夠理解的 L_TARGET，L_OBJS，LX_OBJS，M_OBJS，MX_OBJS。

L_OBJS := (sort(filter-out (export−objs),(obj-y))) 定義了 L_OBJS 的生成方式：在 obj-y 的列表中過濾掉 export-objs（tc.o），然後排序並去除重複的檔名。這裡使用到了 GNU Make 的一些特殊功能，具體的含義可參考 Make 的檔案（info make）。

d) include $(TOPDIR)/Rules.make

組態檔

組態檔功能概述

除了 Makefile 的編寫，另外一個重要的工作就是把新功能加入到 Linux 的設定選項中，提供此項功能的說明，讓使用者有機會選擇此項功能。所有的這些都需要在 config.in 檔案中用設定語言來編寫設定指令碼，
在 Linux 核心中，設定命令有多種方式：

設定命令	解釋指令碼
Make Config，make oldconfig	scripts/Configure
Make menuconfig	scripts/Menuconfig
Make xconfig	scripts/tkparse

以字元介面設定（make config）為例，頂層 Makefile 呼叫 scripts/Configure，按照 arch/arm/config.in 來進行設定。命令執行完後產生檔案 .config，其中儲存著設定資訊。下一次再做 make config 將產生新的 .config 檔案，原 .config 被改名為 .config.old

範例

對於一個開發者來說，將自己開發的核心程式碼加入到 Linux 核心中，需要有三個步驟。首先確定把自己開發程式碼放入到核心的位置；其次，把自己開發的功能增加到 Linux 核心的設定選項中，使使用者能夠選擇此功能；最後，構建子目錄 Makefile，根據使用者的選擇，將相應的程式碼編譯到最終生成的 Linux 核心中去。下面，我們就通過一個簡單的例子–test driver，結合前面學到的知識，來說明如何向 Linux 核心中增加新的功能。

目錄結構

test driver 放置在 drivers/test/ 目錄下：

cddrivers/testtree

組態檔

# TEST driver configuration
#
mainmenu_option next_comment
comment 'TEST Driver'
bool 'TEST support' CONFIG_TEST
if [ "$CONFIG_TEST" = "y" ]; then
  tristate 'TEST user-space interface' CONFIG_TEST_USER
  bool 'TEST CPU ' CONFIG_TEST_CPU
fi
endmenu
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由於 test driver 對於核心來說是新的功能，所以首先建立一個選單 TEST Driver。然後，顯示「TEST support」，等待使用者選擇；接下來判斷使用者是否選擇了 TEST Driver，如果是（CONFIG_TEST=y），則進一步顯示子功能：使用者介面與 CPU 功能支援；由於使用者介面功能可以被編譯成核心模組，所以這裡的詢問語句使用了 tristate（因為 tristate 的取值範圍包括 y、n 和 m，m 就是對應著模組）。
2） arch/arm/config.in
在檔案的最後加入：source drivers/test/Config.in，將 TEST Driver 子功能的設定納入到 Linux 核心的設定中。

Makefile

1）drivers/test/Makefile

#       drivers/test/Makefile
#
#       Makefile for the TEST.
#
SUB_DIRS     :=
MOD_SUB_DIRS := $(SUB_DIRS)
ALL_SUB_DIRS := $(SUB_DIRS) cpu
L_TARGET := test.a
export-objs := test.o test_client.o
obj-$(CONFIG_TEST)              += test.o test_queue.o test_client.o
obj-$(CONFIG_TEST_USER)         += test_ioctl.o
obj-$(CONFIG_PROC_FS)           += test_proc.o
subdir-$(CONFIG_TEST_CPU)       += cpu
include $(TOPDIR)/Rules.make
clean:
        for dir in $(ALL_SUB_DIRS); do make -C $$dir clean; done
        rm -f *.[oa] .*.flags
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drivers/test 目錄下最終生成的目標檔案是 test.a。在 test.c 和 test-client.c 中使用了 EXPORT_SYMBOL 輸出符號，所以 test.o 和 test-client.o 位於 export-objs 列表中。然後，根據使用者的選擇（具體來說，就是設定變數的取值），構建各自對應的 obj-* 列表。由於 TEST Driver 中包一個子目錄 cpu，當 CONFIG_TEST_CPU=y（即使用者選擇了此功能）時，需要將 cpu 目錄加入到 subdir-y 列表中。

2）drivers/test/cpu/Makefile

#       drivers/test/test/Makefile
#
#       Makefile for the TEST CPU 
#
SUB_DIRS     :=
MOD_SUB_DIRS := $(SUB_DIRS)
ALL_SUB_DIRS := $(SUB_DIRS)
L_TARGET := test_cpu.a
obj-$(CONFIG_test_CPU)       += cpu.o
include $(TOPDIR)/Rules.make
clean:
        rm -f *.[oa] .*.flags
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3）drivers/Makefile

……
subdir-$(CONFIG_TEST)      += test
……
include $(TOPDIR)/Rules.make
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在 drivers/Makefile 中加入 subdir-$(CONFIG_TEST)+= test，使得在使用者選擇 TEST Driver 功能後，核心編譯時能夠進入 test 目錄。

4）Makefile

……
DRIVERS-$(CONFIG_PLD) += drivers/pld/pld.o
DRIVERS-$(CONFIG_TEST) += drivers/test/test.a
DRIVERS-$(CONFIG_TEST_CPU) += drivers/test/cpu/test_cpu.a
DRIVERS := $(DRIVERS-y)
……
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在頂層 Makefile 中加入 DRIVERS-(CONFIGTEST)+=drivers/test/test.a和DRIVERS−(CONFIGTEST)+=drivers/test/test.a。如何使用者選擇了 TEST Driver，那麼 CONFIG_TEST 和 CONFIG_TEST_CPU 都是 y，test.a 和 test_cpu.a 就都位於 DRIVERS-y 列表中，然後又被放置在 DRIVERS 列表中。在前面曾經提到過，Linux 核心檔案 vmlinux 的組成中包括 DRIVERS，所以 test.a 和 test_cpu.a 最終可被連結到 vmlinux 中。