linux内核vmlinux的编译过程（七）

程序员文章站 2022-06-04 11:33:42

...

一. vmlinux目标及其构建规则
定义在顶层Makefile中，如下：

# The all: target is the default when no target is given on the
# command line.
# This allow a user to issue only 'make' to build a kernel including modules
# Defaults to vmlinux, but the arch makefile usually adds further targets
all: vmlinux

...

# vmlinux image - including updated kernel symbols
vmlinux: $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) vmlinux.o $(kallsyms.o) FORCE
ifdef CONFIG_HEADERS_CHECK
	$(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile headers_check
endif
ifdef CONFIG_SAMPLES
	$(Q)$(MAKE) $(build)=samples
endif
ifdef CONFIG_BUILD_DOCSRC
	$(Q)$(MAKE) $(build)=Documentation
endif
	$(call vmlinux-modpost)
	$(call if_changed_rule,vmlinux__)
	$(Q)rm -f .old_version

当没有给定目标时，默认目标为all，all又被赋值为vmlinux。 CONFIG_HEADERS_CHECK、CONFIG_SAMPLES、CONFIG_BUILD_DOCSRC定义在.config文件中（一般情况下不定义），因此用的是最后一段构建规则。

vmlinux的构建放在最后面讲，这里先给出依赖的生成过程。

二. 依赖$(vmlinux-lds)

在顶层目录的Makefile中：

vmlinux-lds  := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds

因为我使用的arm架构,$(SRCARCH) = arm，因此 vmlinux-lds :=arch/arm/kernel/vmlinux.lds。
内核编译链接过程是依靠vmlinux.lds文件，但是未经编译的内核源码在arch/arm/kernel/目录是不存在vmlinux.lds链接脚本的，仅有vmlinux.lds.S和与之对应的vmlinux.lds.h(一些相关的宏定义)文件；vmlinux.lds是vmlinux.lds.S经过条件编译并展开一些宏定义后生成的。
具体分析请移步：linux内核链接脚本vmlinux.lds分析（待更新）

三. 依赖$(vmlinux-init)

# 顶层目录的Makefile中
vmlinux-init := $(head-y) $(init-y)

1. $(head-y)

#  arch/arm/Makefile
head-y		:= arch/arm/kernel/head$(MMUEXT).o arch/arm/kernel/init_task.o

对于没有MMU的处理器，MMUEXT的值为-nommu；对于有MMU的处理器，MMUEXT的值为空。这里我们使用后者。

2. $(init-y)

#  顶层目录的Makefile中
# Objects we will link into vmlinux / subdirs we need to visit
init-y		:= init/
...
init-y		:= $(patsubst %/, %/built-in.o, $(init-y))

这里$(init-y) 进行两次赋值（Makefile中 := 的使用请移步到：Makefile 中:= ?= += =的区别）。后一次是把init目录加了一个built-in.o。 $(vmlinux-init)最终展开为：

vmlinux-init := arch/arm/kernel/head.o arch/arm/kernel/init_task.o init/built-in.o

四. 依赖$(vmlinux-main)

由于在顶层Makefile中包含了架构体系目录下的Makefile文件(“include $ (srctree)/arch/$(SRCARCH)/Makefile”，以arm架构为例，就是包含了/arch/arm/Makefile 文件)，所以在分析这些目标和依赖时，不要忘记这个Makefile中相关的定义。具体如下：

#  顶层目录的Makefile中

include $(srctree)/arch/$(SRCARCH)/Makefile
...
# Objects we will link into vmlinux / subdirs we need to visit
drivers-y	:= drivers/ sound/ firmware/
net-y		:= net/
libs-y		:= lib/
core-y		:= usr/
...
core-y		+= kernel/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ block/
...
core-y		:= $(patsubst %/, %/built-in.o, $(core-y))
drivers-y	:= $(patsubst %/, %/built-in.o, $(drivers-y))
net-y		:= $(patsubst %/, %/built-in.o, $(net-y))
libs-y1		:= $(patsubst %/, %/lib.a, $(libs-y))
libs-y2		:= $(patsubst %/, %/built-in.o, $(libs-y))
libs-y		:= $(libs-y1) $(libs-y2)
...
vmlinux-main := $(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y)

#   在arch/arm/Makefile中
core-$(CONFIG_FPE_NWFPE)	+= arch/arm/nwfpe/
core-$(CONFIG_FPE_FASTFPE)	+= $(FASTFPE_OBJ)
core-$(CONFIG_VFP)		+= arch/arm/vfp/
# If we have a machine-specific directory, then include it in the build.
core-y				+= arch/arm/kernel/ arch/arm/mm/ arch/arm/common/
core-y				+= $(machdirs) $(platdirs)   机器和平台相关
drivers-$(CONFIG_OPROFILE)      += arch/arm/oprofile/
libs-y				:= arch/arm/lib/ $(libs-y)

其中CONFIG_FPE_NWFPE、CONFIG_VFP、CONFIG_OPROFILE定义在配置文件.config中，例如mini6410开发板的配置文件定义如下：

#
# At least one emulation must be selected
#
# CONFIG_FPE_NWFPE_XP is not set
# CONFIG_FPE_FASTFPE is not set
CONFIG_FPE_NWFPE=y
CONFIG_VFP=y

这下，内核根目录下所有相关的子目录就都包含了。除了lib目录下有两个文件，built-in.o 和 lib.a，其余下都只有一个文件built-in.o，xxx/built-in.o的生成规则请移步到linux内核Makefile中的变量build— 过渡篇（五）

$(vmlinux-main)最终展开为：

vmlinux-main :=     \
#core-y
 usr/built-in.o   kernel/built-in.o   mm/built-in.o  fs/built-in.o  ipc/built-in.o  security/built-in.o  crypto/built-in.o block/built-in.o  \
 arch/arm/nwfpe/built-in.o   arch/arm/vfp/built-in.o   \
 arch/arm/kernel/built-in.o   arch/arm/mm/built-in.o  arch/arm/common/built-in.o  \  
 arch/arm/mach-s3c64xx/built-in.o  arch/arm/plat-samsung/built-in.o    \
 
#libs-y
  arch/arm/lib/lib.a    lib/lib.a  arch/arm/lib/built-in.o   lib/built-in.o    \ 
  
#drivers-y
drivers/built-in.o  sound/built-in.o  firmware/built-in.o     \ 

#net-y
 net/built-in.o

五. 依赖vmlinux.o
内核构建系统之所以要在链接 vmlinux 之前，去链接出vmlinux.o。其原因并不是要将 vmlinux.o 链接进 vmlinux，而是要在链接 vmlinux.o 的过程中做完两个动作： elf section 是否 mis-match 的检查；生成内核导出符号文件 Module.symvers(Symbol version dump文件)；如果有兴趣，请移步到linux内核vmlinux的编译过程之 — vmlinux.o详解（八）

六. 依赖$(kallsyms.o)
$(kallsyms.o)里面存的主要是把内核用到的所有函数地址和名称。请移步到：内核vmlinux的编译过程之 — $(kallsyms.o)详解（待更新）

七. vmlinux目标的构建
在文章的开头已给出目标的定义和构建规则，这里只列出重要的部分：

# vmlinux image - including updated kernel symbols
vmlinux: $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) vmlinux.o $(kallsyms.o) FORCE
	$(call vmlinux-modpost)
	$(call if_changed_rule,vmlinux__)
	$(Q)rm -f .old_version

1. $(call vmlinux-modpost)
在我用的这个内核版本源码中，始终未找到变量 vmlinux-modpost 的定义，我觉得 $(call vmlinux-modpost) 是条多余的且没用的命令。在内核代码里，这样的多余现象也是常有的。

2. $(call if_changed_rule,vmlinux__)
命令 $(call if_changed_rule,vmlinux__) 会调用 rule_vmlinux__ 变量所定义的命令，在顶层 Makefile 中找到 rule_vmlinux__ 的定义：

#顶层Makefile
# Generate System.map
quiet_cmd_sysmap = SYSMAP
      cmd_sysmap = $(CONFIG_SHELL) $(srctree)/scripts/mksysmap

# Link of vmlinux
# If CONFIG_KALLSYMS is set .version is already updated
# Generate System.map and verify that the content is consistent
# Use + in front of the vmlinux_version rule to silent warning with make -j2
# First command is ':' to allow us to use + in front of the rule
define rule_vmlinux__
	:
	$(if $(CONFIG_KALLSYMS),,+$(call cmd,vmlinux_version))

	$(call cmd,vmlinux__)
	$(Q)echo '[email protected] := $(cmd_vmlinux__)' > $(@D)/.$(@F).cmd

	$(Q)$(if $($(quiet)cmd_sysmap),                                      \
	  echo '  $($(quiet)cmd_sysmap)  System.map' &&)                     \
	$(cmd_sysmap) [email protected] System.map;                                         \
	if [ $$? -ne 0 ]; then                                               \
		rm -f [email protected];                                                    \
		/bin/false;                                                  \
	fi;
	$(verify_kallsyms)
endef

2.1 $ (if $ (CONFIG_KALLSYMS),+$(call cmd,vmlinux_version))
构建系统会检查是否有定义过 CONFIG_KALLSYMS，如果没有定义过，它就使用 cmd_vmlinux_version 来递增链接版本。一般我们默认配置CONFIG_KALLSYMS =y。

2.2 $(call cmd,vmlinux__)
调用 cmd_vmlinux__ 去把 vmlinux 链接出来。具体代码为：

# 顶层Makefile
# Rule to link vmlinux - also used during CONFIG_KALLSYMS
# May be overridden by arch/$(ARCH)/Makefile
quiet_cmd_vmlinux__ ?= LD      [email protected]
      cmd_vmlinux__ ?= $(LD) $(LDFLAGS) $(LDFLAGS_vmlinux) -o [email protected] \
      -T $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init)                          \
      --start-group $(vmlinux-main) --end-group                  \
      $(filter-out $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) vmlinux.o FORCE ,$^)

实际执行命令如下：

arm-linux-ld -EL  -p --no-undefined -X --build-id -o vmlinux -T arch/arm/kernel/vmlinux.lds arch/arm/kernel/head.o arch/arm/kernel/init_task.o  init/built-in.o --start-group  usr/built-in.o  arch/arm/nwfpe/built-in.o  arch/arm/vfp/built-in.o  arch/arm/kernel/built-in.o  arch/arm/mm/built-in.o  arch/arm/common/built-in.o  arch/arm/mach-s3c64xx/built-in.o  arch/arm/plat-samsung/built-in.o  kernel/built-in.o  mm/built-in.o  fs/built-in.o  ipc/built-in.o  security/built-in.o  crypto/built-in.o  block/built-in.o  arch/arm/lib/lib.a  lib/lib.a  arch/arm/lib/built-in.o  lib/built-in.o  drivers/built-in.o  sound/built-in.o  firmware/built-in.o  net/built-in.o --end-group .tmp_kallsyms2.o

在这里，注意上面的链接将把 …/arch/arm/kernel/head.o 放在映像文件 vmlinux 的最前面，这是由链接器脚本所规定的，后续内核启动分栏文章中的分析会告诉你这个 head.o 正是整个 Linux 内核开始运行的地方。

2.3 $ (Q)echo ‘[email protected] := $(cmd_vmlinux__)’ > $(@D)/. $(@F).cmd
将编译 vmlinux的命令写入到 .vmlinux.cmd文件中保存起来，以便下次再编译内核时可以进行新旧命令的比较。
实际执行命令如下：

 echo 'cmd_vmlinux := /home/hh/opt/FriendlyARM/toolschain/4.5.1/bin/arm-linux-ld -EL  -p --no-undefined -X --build-id -o vmlinux -T arch/arm/kernel/vmlinux.lds arch/arm/kernel/head.o arch/arm/kernel/init_task.o  init/built-in.o --start-group  usr/built-in.o  arch/arm/nwfpe/built-in.o  arch/arm/vfp/built-in.o  arch/arm/kernel/built-in.o  arch/arm/mm/built-in.o  arch/arm/common/built-in.o  arch/arm/mach-s3c64xx/built-in.o  arch/arm/plat-samsung/built-in.o  kernel/built-in.o  mm/built-in.o  fs/built-in.o  ipc/built-in.o  security/built-in.o  crypto/built-in.o  block/built-in.o  arch/arm/lib/lib.a  lib/lib.a  arch/arm/lib/built-in.o  lib/built-in.o  drivers/built-in.o  sound/built-in.o  firmware/built-in.o  net/built-in.o --end-group .tmp_kallsyms2.o' > ./.vmlinux.cmd

2.4 $ (Q) $ (if $ ($ (quiet)cmd_sysmap), echo ’ $ ($(quiet)cmd_sysmap) System.map’ &&) $(cmd_sysmap) [email protected] System.map; if [ $ $? -ne 0 ]; then rm -f [email protected]; /bin/false;fi;
判断quiet_cmd_sysmap或者cmd_sysmap变量是否有定义，如有定义，把接下来即将执行的命令打印出来，并执行。
实际打印如下：

echo '  /bin/bash /home/hh/linux-2.6.38/scripts/mksysmap  System.map' && /bin/bash /home/hh/linux-2.6.38/scripts/mksysmap vmlinux System.map; if [ $? -ne 0 ]; then rm -f vmlinux; /bin/false; fi;

$(cmd_sysmap) [email protected] System.map
变量cmd_sysmap定义在顶层Makefile中：

# 顶层Makefile
# SHELL used by kbuild
CONFIG_SHELL := $(shell if [ -x "$$BASH" ]; then echo $$BASH; \
	  else if [ -x /bin/bash ]; then echo /bin/bash; \
	  else echo sh; fi ; fi)
...
# Generate System.map
quiet_cmd_sysmap = SYSMAP
      cmd_sysmap = $(CONFIG_SHELL) $(srctree)/scripts/mksysmap

使用 cmd_sysmap 所定义的命令来生成基本内核符号表文件 System.map。在其中包含有所有内核符号以及它们的地址，实际上前面用 kallsyms 包含在基本内核映像中的函数/变量地址及名称信息都等同于 System.map 中的内容，我们以后对内核代码的分析过程会经常引用这个文件。

/bin/bash /home/hh/linux-2.6.38/scripts/mksysmap vmlinux System.map

2.5 $(verify_kallsyms)
最后会额外做一步，用 verify_kallsyms 来确认前面的 kallsyms 是否工作正常。确认的方法是先拿前面的 .tmp_vmlinux2 重新生成一份新的map: .tmp_System.map。接着构建系统会比较 .tmp_System.map 和 System.map，如果不一致，那说明 kallsyms 子系统代码工作不正常，所以构建系统会建议你设置 CONFIG_KALLSYMS_EXTRA_PASS 来重新make vmlinux。verify_kallsyms 的定义为：

define verify_kallsyms
	$(Q)$(if $($(quiet)cmd_sysmap),                                      \
	  echo '  $($(quiet)cmd_sysmap)  .tmp_System.map' &&)                \
	  $(cmd_sysmap) .tmp_vmlinux$(last_kallsyms) .tmp_System.map
	$(Q)cmp -s System.map .tmp_System.map ||                             \
		(echo Inconsistent kallsyms data;                            \
		 echo Try setting CONFIG_KALLSYMS_EXTRA_PASS;                \
		 rm .tmp_kallsyms* ; /bin/false )
endef

实际执行时的打印：

echo '  /bin/bash /home/hh/linux-2.6.38/scripts/mksysmap  .tmp_System.map' && /bin/bash /home/hh/linux-2.6.38/scripts/mksysmap .tmp_vmlinux2 .tmp_System.map
  /bin/bash /home/hh/linux-2.6.38/scripts/mksysmap  .tmp_System.map
cmp -s System.map .tmp_System.map || (echo Inconsistent kallsyms data; echo Try setting CONFIG_KALLSYMS_EXTRA_PASS; rm .tmp_kallsyms* ; /bin/false )

3. $(Q)rm -f .old_version

rm -f .old_version

总结
linux内核中编译单个.o的执行顺序：

--------------------------------------------------------------------------------------------------                 
						     	usr/built-in.o 
								kernel/built-in.o
								mm/built-in.o
								fs/built-in.o
								ipc/built-in.o
								security/built-in.o
								crypto/built-in.o
								block/built-in.o 
								#平台相关
								arch/arm/nwfpe/built-in.o
								arch/arm/vfp/built-in.o
								arch/arm/kernel/built-in.o
								arch/arm/mm/built-in.o
							    arch/arm/common/built-in.o                            
								arch/arm/mach-s3c64xx/built-in.o                     
								arch/arm/plat-samsung/built-in.o                                             
								   		   ||       sound/built-in.o       arch/arm/lib/lib.a
arch/arm/kernel/init_task.o                ||       firmware/built-in.o    arch/arm/lib/built-in.o 
arch/arm/kernel/head.o  init/built-in.o    ||       drivers/built-in.o     lib/lib.a
         ||                  ||            ||             ||               lib/built-in.o    net/built-in.o 
         ||                  ||            ||             ||                   ||                 || 
      $(head-y)          $(init-y)      $(core-y)    $(drivers-y)           $(libs-y)          $(net-y)    
        |                    |             |              |                    |                  |
        |                    |             |              |                    |                 /
        \                   /               \             \                    /              /
          \               /                    \            \                 /            /
            \           /                         \           \             /          /
              \       /                               \         \         /        /
                \   /                                     \       \     /      /
           $(vmlinux-init)      .tmp_kallsyms2.o           $(vmlinux-main)           $(vmlinux-lds)
                   \                   |                        /                     /
                     \                 |                     /                     /
                       \               |                  /                     /
                         \             |               /                     /
                           \           |            /                     /
                             \         |          /        链接         /
                              ——  —— —— —— —— ——    ——  —— —— —— ——  /      
                                       vmlinux
 ----------------------------------------------------------------------------------------------------

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