關于Linux 內核配置系統淺析

隨著 Linux 操作系統的廣泛應用，特別是 Linux 在嵌入式領域的發展，越來越多的人開始投身到 Linux 內核級的開發中。面對日益龐大的 Linux 內核源代碼，開發者在完成自己的內核代碼后，都將面臨著同樣的問題，即如何將源代碼融入到 Linux 內核中，增加相應的 Linux 配置選項，并最終被編譯進 Linux 內核。這就需要了解 Linux 的內核配置系統。

眾所周知，Linux 內核是由分布在全球的 Linux 愛好者共同開發的，Linux 內核每天都面臨著許多新的變化。但是，Linux 內核的組織并沒有出現混亂的現象，反而顯得非常的簡潔，而且具有很好的擴展性，開發人員可以很方便的向 Linux 內核中增加新的內容。原因之一就是 Linux 采用了模塊化的內核配置系統，從而保證了內核的擴展性。

本文首先分析了 Linux 內核中的配置系統結構，然后，解釋了 Makefile 和配置文件的格式以及配置語句的含義，最后，通過一個簡單的例子--TEST Driver，具體說明如何將自行開發的代碼加入到 Linux 內核中。在下面的文章中，不可能解釋所有的功能和命令，只對那些常用的進行解釋，至于那些沒有討論到的，請讀者參考后面的參考文獻。

1. 配置系統的基本結構

Linux內核的配置系統由三個部分組成，分別是：

Makefile：分布在 Linux 內核源代碼中的 Makefile，定義 Linux 內核的編譯規則;

配置文件(cONfig.in)：給用戶提供配置選擇的功能;

配置工具：包括配置命令解釋器(對配置腳本中使用的配置命令進行解釋)和配置用戶界面(提供基于字符界面、基于 Ncurses 圖形界面以及基于 Xwindows 圖形界面的用戶配置界面，各自對應于 Make config、Make menuconfig 和 make xconfig)。

這些配置工具都是使用腳本語言，如 Tcl/TK、Perl 編寫的(也包含一些用 C 編寫的代碼)。本文并不是對配置系統本身進行分析，而是介紹如何使用配置系統。所以，除非是配置系統的維護者，一般的內核開發者無須了解它們的原理，只需要知道如何編寫 Makefile 和配置文件就可以。所以，在本文中，我們只對 Makefile 和配置文件進行討論。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。

2. Makefile

2.1 Makefile 概述

Makefile 的作用是根據配置的情況，構造出需要編譯的源文件列表，然后分別編譯，并把目標代碼鏈接到一起，最終形成 Linux 內核二進制文件。

由于 Linux 內核源代碼是按照樹形結構組織的，所以 Makefile 也被分布在目錄樹中。Linux 內核中的 Makefile 以及與 Makefile 直接相關的文件有：

Makefile：頂層 Makefile，是整個內核配置、編譯的總體控制文件。

.config：內核配置文件，包含由用戶選擇的配置選項，用來存放內核配置后的結果(如 make config)。

arch/*/Makefile：位于各種 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，負責所在子目錄下源代碼的管理。

Rules.make：規則文件，被所有的 Makefile 使用。

用戶通過 make config 配置后，產生了 .config。頂層 Makefile 讀入 .config 中的配置選擇。頂層 Makefile 有兩個主要的任務：產生 vmlinux 文件和內核模塊(module)。為了達到此目的，頂層 Makefile 遞歸的進入到內核的各個子目錄中，分別調用位于這些子目錄中的 Makefile。至于到底進入哪些子目錄，取決于內核的配置。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信息。

位于各個子目錄下的 Makefile 同樣也根據 .config 給出的配置信息，構造出當前配置下需要的源文件列表，并在文件的最后有 include $(TOPDIR)/Rules.make。

Rules.make 文件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 程序編譯成匯編代碼，需要在 Makefile 中有以下的編譯規則：

%.s: %.c

$(CC) $(CFLAGS) -S $ -o $@

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 內核中則把此類的編譯規則統一放置到 Rules.make 中，并在各自的 Makefile 中包含進了 Rules.make(include Rules.make)，這樣就避免了在多個 Makefile 中重復同樣的規則。對于上面的例子，在 Rules.make 中對應的規則為：

%.s: %.c

$(CC) $(CFLAGS) $(EXTRA_CFLAGS) $(CFLAGS_$(*F)) $(CFLAGS_$@) -S $ -o $@

2.2 Makefile 中的變量

頂層 Makefile 定義并向環境中輸出了許多變量，為各個子目錄下的 Makefile 傳遞一些信息。有些變量，比如 SUBDIRS，不僅在頂層 Makefile 中定義并且賦初值，而且在 arch/*/Makefile 還作了擴充。

常用的變量有以下幾類：

1) 版本信息

版本信息有：VERSION，PATCHLEVEL, SUBLEVEL, EXTRAVERSION，KERNELRELEASE。版本信息定義了當前內核的版本，比如 VERSION=2，PATCHLEVEL=4，SUBLEVEL=18，EXATAVERSION=-rmk7，它們共同構成內核的發行版本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 的定義選擇編譯源文件的列表。

3) 路徑信息：TOPDIR, SUBDIRS

TOPDIR 定義了 Linux 內核源代碼所在的根目錄。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，在編譯內核或模塊時，頂層 Makefile 就是根據 SUBDIRS 來決定進入哪些子目錄。SUBDIRS 的值取決于內核的配置，在頂層 Makefile 中 SUBDIRS 賦值為 kernel drivers mm fs net ipc lib;根據內核的配置情況，在 arch/*/Makefile 中擴充了 SUBDIRS 的值，參見4)中的例子。

4) 內核組成信息：HEAD, CORE_FILES, NETWORKS, DRIVERS, LIBS