24小时学通Linux内核之构建Linux内核

24小时学通Linux内核之构建Linux内核

　　今天是腊八节，说好的女票要给我做的腊八粥就这样泡汤了，好伤心，好心酸呀，看来代码写久了真的是惹人烦滴，所以告诫各位技术男敲醒警钟，不要想我看齐，不然就只能和代码为伴了的~~话说没了腊八粥但还是有代码，还有各位读者的支持呀，所以得继续写下去，静下心来，完成Linux内核的学习，坚持，加油~

　　到目前为止，我们已经认识了Linux内核子系统，也探究了系统的初始化过程，并且深入探索了start_kernel()函数，同样，了解内核映像的创建也是非常重要的，接下来将讨论一下内核映像的编译和链接过程，那么这些当然需要工具链了，工具链包含编译程序、汇编程序、链接程序，是创建Linux内核映像的一组程序集合，下图说明了工具链的链式关系：

ELF二进制目标文件

可执行ELF目标文件包括：ELF头，程序头表(用于加载的节)，第1节，第2节。。。。节头表(可选)

ELF头文件

typedef struct elf32_hdr{
  unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; //标识该文件是否为ELF文件
  Elf32_Half    e_type;  //指定目标文件类型，例如可执行文件，重定位文件，共享的目标文件
  Elf32_Half    e_machine;   //被编译文件所在系统的体系结构
  Elf32_Word    e_version; //目标文件的版本
  Elf32_Addr    e_entry;  /* Entry point */  //程序的起始地址
  Elf32_Off     e_phoff;   //保存程序头表在文件中的偏移量
  Elf32_Off     e_shoff;   //保存节头表在文件中的偏移量
  Elf32_Word    e_flags;   //保存于特定与处理器的标志
  Elf32_Half    e_ehsize;  //字段保存ELF头的大小
  Elf32_Half    e_phentsize;  //保存程序头表中的每一项的大小
  Elf32_Half    e_phnum;  //程序头中表项的个数
  Elf32_Half    e_shentsize;  //节头表中每一项的大小
  Elf32_Half    e_shnum;   //保存节头中项的数量，表明该文件中有多少节
  Elf32_Half    e_shstrndx;  //保存节头中节字符串的索引
} Elf32_Ehdr;

节头表

typedef struct elf32_shdr {
  Elf32_Word    sh_name;   //包含节名
  Elf32_Word    sh_type;   //包含节的内容
  Elf32_Word    sh_flags;  //各种属性的内容
  Elf32_Addr    sh_addr;   //节在内存映像中的地址 
  Elf32_Off     sh_offset; //保存ELF文件中这一节中初始字节的偏移量
  Elf32_Word    sh_size;   //包含节的大小
  Elf32_Word    sh_link;   //表链接的索引
  Elf32_Word    sh_info;   //包含附加信息
  Elf32_Word    sh_addralign;  //包含地址对其的约束
  Elf32_Word    sh_entsize;  //节中每项的大小
} Elf32_Shdr;

非可执行ELF文件节

节点	说明
.data	已初始化的数据
bss	为初始化的数据
.hash	符号散列表
.init	初始化代码
.symtab	符号表
.text	可执行的指令
.plt	过程链接表
.rodata	只读数据
dynamic	动态链接信息

程序头表

typedef struct elf64_phdr {
  Elf64_Word p_type;    //描述该段的类型
  Elf64_Word p_flags;   //以p_type而定
  Elf64_Off p_offset;   //<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">该段的开始相对于文件开始的偏移量</span>
  Elf64_Addr p_vaddr;   //段虚拟地址
  Elf64_Addr p_paddr;   //段的虚拟地址  
  Elf64_Xword p_filesz; //文件映像中该段的字节数
  Elf64_Xword p_memsz;  //内存映像中该段的字节数
  Elf64_Xword p_align;  //描述要对齐的段在内存中如何对齐，该值是2的整数次幂    
} Elf64_Phdr; 

通过这些信息，系统函数exec()和链接程序合作，为可执行程序在内存中创建进程映像，该过程如下：

• 将可执行文件的段加入内存
• 加载所有需要的共享库
• 需要时重定向可执行文件及其共享对象
• 将控制权交给程序

　　

　　那么内核是如何被编译成二进制文件的呢，又是如何在执行前装入内存。下面将开始介绍编译内核源代码。内存启动始于执行arch/x86/boot/目录中的实模式汇编代码。查看arch/x86/kernel/setup_32.c文件可以看出保护模式的内核怎样获取实模式内核收集的信息。第一条信息来自于init/main.c中的代码，深入挖掘init/calibrate.c可以对BogoMIPS校准理解得更清楚，而include/asm-your-arch/bugs.h则包含体系架构相关的检查。

　　内核中的时间服务由驻留于arch/your-arch/kernel/中的体系架构相关的部分和实现于kernel/timer.c中的通用部分组成。从include/linux/time*.h头文件中可以获取相关的定义。

　　jiffies定义于linux/jiffies.h文件中。HZ的值与处理器相关，可以从include/asm-your-arch/ param.h找到，内存管理源代码存放在顶层mm/目录中。

Linux的官方源代码发布网址是www.kernel.org。其源代码目录结构示意图如下：

　　利用内核配置工具自动生成.config的内核配置文件，这是编译的第一步，.config文件位于源代码目录下，其选项的位置根据它们在内核配置工具中的位置进行排序，我们来看看一个.config文件的节选：

 1 #
 2 # Automatically generated make config: don't edit
 3 #
 4 CONFIG_X86=y
 5 CONFIG_MMU=y
 6 CONFIG_UID16=y
 7 CONFIG_GENERIC_ISA_DMA=y    //这4行位于顶层菜单中
 8 
 9 #
10  # Code maturity level options
11  #
12  CONFIG_EXPERIMENTAL=y
13  CONFIG_CLEAN_COMPILE=
14  CONFIG_STANDALONE=y
15  CONFIG_BROKEN_ON_SMP=y　　//这4行位于代码成熟度选项菜单中
16 
17  #
18  # General setup
19  #
20  CONFIG_SWAP=y
21  CONFIG_SYSVIPC=y
22  #CONFIG_POSIX_MQUEUE is not set
23  CONFIG_BSD_PROCESS_ACCT=y　　//这4行位于通用设置选项菜单中

　　

　　最后来粗略的介绍一下Linux内核的Makefile文件，也只能简单的介绍一下啦，这个可是重难点，这里我稍微说一下，以后会具体去学习。Linux内核是一种单体内核，但是通过动态加载模块的方式，使它的开发非常灵活 方便。那么，它是如何编译内核的呢？我们可以通过分析它的Makefile入手。以下是 一个简单的hello内核模块的Makefile. 

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m:=hello.o
else
KERNELDIR:=/lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD:=$(shell pwd)
default:
        $(MAKE) -C $(KERNELDIR)  M=$(PWD) modules
clean:
        rm -rf *.o *.mod.c *.mod.o *.ko
endif

　　首先，由于make 后面没有目标，所以make会在Makefile中的第一个不是以.开头的目标作为默认的目标执行。于是default成为make的目标。make会执行 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules shell是make内部的函数,make执行了两次。

第一次执行时是读hello模块的源代码所在目录/home/s tudy/prog/mod/hello/下的Makefile。

第二次执行时是执行/usr/src/linux/下的Makefile时. 

这其中很复杂，我也不知道怎么讲了。关于make modules的更详细的过程可以在scripts/Makefile.modpost文件的注释 中找到。不过我找到了一个大牛写的跟我一下学Makefile的博客，我把博客地址附在下面，供大家参考一下：http://blog.csdn.net/haoel/article/details/2886/

　　小结

　　本章探究了目标文件的编译，链接过程，以及目标文件的结构，以便理解可执行代码的最终形式，构建Linux内核涵盖了内核编译所需要的工具，最后还简单的描述了Makefile，，这些都是难点，，得多加缩习啦，，尽管今天没吃到腊八粥，但是转转锅还是很给力的，吃到现在还不饿，是一个难忘的一天　　~~

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