构建内核

了解内核映像的构建过程无论是对学些内核，还是运行内核开发都有诸多帮助。所以在构建内核之前，首先讨论了内核的构建过程。

对于编译内核而言，一条make命令就足够了。因此，构建内核最困难的地方不是编译，而是编译前的配置

内核启动的最后，内核要从根文件系统加载用户空间的程序从而转入用户空间。因此，我们准备了一个基本的根文件系统来配合内核的启动。

内核映像的组成

如果将内核的映像比较航天器，则setup.bin部分就类似于火箭的一级推进子系统。最初，这部分负责将内核加载进内存，并为后面内核包含模式的运行建立基本的环境。但后来加载内核的功能被分离到Bootloader中，setup.bin则退货为复制Bootloader将内核加载到内存。

紧接着，包围在32位包含模式部分外的是非解压缩。这部分可以看作是火箭的耳机推进子系统，复制将压缩的内核解压到合适的位置，并进行内核重定位，在完成这个环节后，其从内核映像脱离。

最后是内核的32位包含模式部分vmlinux。这部分相当于航天器的有效载荷，即类似于最后运行的卫星，最有这部分最后留在轨道内运行。内核构建时，将对有效载荷vmlinux进行压缩，然后与耳机推进系统装配位vmlinux.bin。

一级推进系统--setup.bin

在进行内核初始化时，需要一些信息，如显示信息、内存信息等。

曾经，这些信息由工作在实模式下的setupbin通过BIOS获取，保存在内核中的变量boot_params中。在我拿出信息收集后，setup.bin将CPU切换到保护模式，并调整到内核的保护部分执行。内核将setup.bin收集的信息复制到vmlinu的数据段中。

随着新的BIOS标准的出现，尤其是ELFi的出现，为了支持这些新标准，开发者们制定了32位启动协议。Bootloader实现手机这些信息的功能。内核启动时不再需要首先运行实模式部分，而是直接跳转到内核的保护模式部分。

事实上，出来手机信息功能外，setup.bin的另一个重要功能就是复制在内核和Bootloader之间传递信息。32位启动协议约定在setup.bin中分配一块空间用来承载这些信息，在构建映像时，内核构建胸痛需要将这些信息写道setup.bin的这块空间中。

二级推进系统--内核非压缩部分

内核的保护部分是经过压缩的，因此运行前需要解压缩。内核在压缩的映像外包围了一部分非压缩代码，Bootloader在加载映像后跳转至外围的这段非压缩部分。这些没有经过解压缩的指令可以直接送给CPU执行，由这段CPU可执行的指令复制解压内核的压缩部分你。

出来解压以外，非压缩部分还复制内核重定位。内核可以配置为可重定位的，所谓可重定位即内核可以被Bootloader加载到内存任何位置。但是在链接内核时，链接器需要假定一个加载地址，然后以这个假定地址位参考，位各个符号分配运行时地址。显然，如果加载地址和链接时假定的地址不同，那么需要对符号的地址进行重新修订，这就是内核重定位。

内核非压缩部分工作在保护模式下，其占用的内存在完成使命后将会被释放。

有效载荷--vmlinux

在编译时，kbuild分别构建内核各个子目录中的目标文件，然后将它们链接位vmlinux。为了缩小内核体积，kbuild删除了vmlinux中的一些不必要的信息，并将其命名为vmlinux.bin，最后将vmlinux.bin压缩位vmlinux.bin.gz。

那么为什么内核要进行压缩呢？

  1. 最初，因为在某系体系架构上，特别时i386，系统启动时运行于实模式状态，可以寻址空间只能在1MB以下，如果内核尺寸过大，将无法正常加载，因此对内核进行了压缩。在内核载进完毕后,CPU切换到保护模式，可以寻找更大的地址空间，于是就可以将压缩过的内核展开了。
  2. 另外一个原因时，2.4及更早版本的内核，需要可以容乃在一张软盘上，所以内核也要进行压缩。

以上都时历史原因，这些限制已经不存在，但内核的压缩还是保留了下来。

映像的格式

内核映像采用裸二进制格式进行组织。但是从Linux 2.6.26版开始，内核的有效载荷部分，采用了ELF格式。

内核映像的构建过程

kbuild简介

内核的构建系统位kbuild，可以看作利用GNU Make组织的一套复制的构建系统。虽然kbuild很复杂，但也是有章可循的，下面两点时理解kbuild的关键：

  1. Makefile的包含。将共同使用的变量或规则定义在一个文件中在是要使用Makefile中包含整个文件
    1. 顶层Mkaefile包含平台相关的Makefile
    2. Makefile.build包含各个子目录下的Makefile
  2. 使用指定Makefile的方式进行递归

构建过程概述

组成内核映像的各个部分的构建顺序如下：

  1. 构建有效载荷，并将其压缩位vmlinux.bin.gz；
  2. 构建二级推进系统，并将二级推进系统装配到有效载荷上，组成vmlinux.bin；
  3. 构建一级推进系统，即构建setup.bin；
  4. 将setup.bin和vmlinux.bin组合位gzImage。

vmlinux的构建过程

所有的体系结构都需要构建vmlinux，所有vmlinux的构建规则在顶层的Makefile中。

vmlinux.bin的构建过程

  1. kbuild使用objcopy，将顶层Makefile构建好的内核映像vmlinux复制到arch/x86/boot/commpressed目录下，删除了".comment"段、符号表和重定位表，并命名位vmlinux.bin
  2. kbuild 压缩内核映像vmlinux.bin
  3. kbuild建筑内核自带的程序mkpiggy构建一个汇编程序piggy.S，该汇编程序就是vmlinux.bin.gz加上一些解压内核时需要的信息。
  4. kbuild将head_32.o、misc.o以及包含压缩映像的piggy.o等目标文件链接位vmlinux.bin，保存到arch/x86/boot目录下。

setup.bin的构建过程

bzimage的组合过程

程序build就是将set.bin和vmlinux.bin简单地链接位bzImage。

内核映像构建过程总结

内核映像的构建过程大体上可以概况为“三次编译链接，一次组合”

  1. 第一次编译链接，kbuild分别编译各个子目录下的目标文件，然后将它们链接为ELF格式的vmlinux，并存放在顶层目录中。这一步当相遇构建有效载荷。
  2. 第二次编译链接。
    1. build使用工具objcopy，将顶层目录的vmlinux复制到arch/x86/boot/compressed目录下，去掉其中的符号信息、重定位信息，删除段“.comment”，并命名为vmlinux.bin。然后，kbuild将其压缩为vmlinux.bin.gz，封装到piggy.S中，并调用汇编器将其编译为piggy.o，这一步时对有效载荷进行了压缩。
    2. kbuild调用编译器编译arch/x86/boot/compressed目录下的head_32.c、misc.c等作为内核的非压缩部分，这一步相当于构建二级推进系统。
    3. 然后，kbuild条用链接器将压缩的有效载荷和二级推进系统链接为vmlinux。
    4. kbuild调用objcopy将arch/x86/boot/compressed目录下的vmlinux复制到arch/x86/boot目录下，同时将其转换为裸二进制格式，并命名为vlinux.bin
  3. 第三次编译链接，kbuild将arch/x86/boot下的a20.o、bioscall.o等目标文件链接为setup.elf，使用objcopy将其转换为裸二进制格式，并命名为setup.bin。这一步相当于构建一级推进系统。
  4. 一次组合，最后，kbuild调用内核自带的程序build，将vmlinux.bin和setup.bin合并为gzImage。

内核映像的布局：

配置内核

我们使用ake memuconfig配置内核，需要安装依赖：

$ sudo apt-get install libncurses5-dev

交叉编译内核设置

默认情况下，内核构建系统默认内核时本地编译。如果为交叉编译，我们需要设置两个变量：

  • ARCH，指明目标体系架构，即编译好的内核运行在什么平台上，如x86、arm或mips等。
  • CROSS_COMPILE指定使用的交叉编译器的前缀。对于我们的交叉工具链来说，时i686-none-linux-gnu-

可以使用多种方法定义这两个变量，比如通过在环境变量中定义：

make ARCH=i386 CROSS_COMPILE=i686-none-linux-gnu-

也可以直接更改顶层Makefile

基本内核配置

内核为很多平台附带了默认配置文件，保存在arch//configs目录下，如果打算使用x86的32位默认配置，执行下面命令即可：

$ make i386_defconfig

kbuild 还提供了创建一个最小配置的方法：

$ make allnoconfig

接下来我们已这个基本配置为基础。

配置处理器

  1. 选择处理器，较早的处理器开发的程序都可以在较新的处理器上运行，但是反过来则不一定了。配置步骤
    1. 执行make menuconfig
    2. 选择菜单项Processor type and features
    3. 选择菜单项 Processor family
    4. 选择对应的处理器。
  2. 配置内核支持SMP，如果机器有多颗CPU，为了更好地发挥多颗CPU的性能，需要配置内核支持SMP。配置步骤
    1. 执行 make menuconfig；
    2. 选择Processor type and features；
    3. 选中 Symmetric multi-processing support。

      配置内核支持模块

如果使用模块机制，只需要单独编译驱动，然后动态加载，即可进行调试；而不必冲洗编译整个内核，甚至重启系统。配置步骤：

  1. 执行 make menuconfig
  2. 旋转菜单项Enable loadable module supper，允许内核动态加载模块；
  3. 旋转 module unloading，允许内核动态卸载模块。

配置硬盘控制器驱动

以SATA硬盘为例，需要从三个方面考虑

  1. 硬盘控制器的接口，SATA控制器使用的时PCI接口，挂在PCI总线上，所以首先需要配置内核支持PCI总线
  2. 与SCSi层之间的关系，在内核中SATA设备被实现位一个SCSI设置，因此虽然目标机器上可能没有SCSI设备，但是要支持SATA控制器，内核雅瑶配置支持SCSI。
  3. 底层设备驱动，内核将SATA驱动从逻辑上划分位两层
    • SATA Translation，这一层复制SCSI和SATA协议之间的翻译，在SATA驱动中被封装位libata模块
    • Low level Device Driver， 在SATA translation 层下，是直接面对设备的底层驱动。

配置

  1. 配置PCI总线，因此SATA控制器使用的是PCI接口，所以我们首先来配置内核支持PCI总线。步骤：
    1. 执行 make menuconfig
    2. 选择Bus options
    3. 选择PCI support。
  2. 配置SCSI
    1. 执行 make menuconfig
    2. 选择 Device Drivers
    3. 选择 SCSI device support
    4. 选中 SCSI device support 和 SCSI disk support，注意它们都编译仅内核，而不是编译为模块
  3. 配置SATA控制器驱动，步骤：
    1. 执行 make menuconfig
    2. 选择 Device Drivers
    3. 选择Serial ATA and Parallel ATA drivers
    4. 选择ATCI SATA support和Intel ESB，ICH，PIIX3，PIIX4 PATA/SATA support。

构建内核：

$ cd /vita/build/linux-3..7.4
$ make bzImage
$ mkdir /vita/sysroot/boot
$ cp arch/x86/boot/bzImage /vita/sysroot/boot

将bzImage复制到测试机的/vita/boot 目录下。

在测试机/boot/grub/grub.cfg 中添加

menuentry 'vita'{
    set root='(hd0,2)'
    linux /boot/bzImage root=/dev/sda2 ro
}

启动测试机。

配置文件系统

  1. 执行 make menuconfig
  2. 选择菜单项 File system
  3. 旋转配置The Extend 4（ext4）filesystem，并将其直接编译进内核。

格式化ext4文件系统时，工具mke2fs.ext4会默认支持“hugu_file”特性，而该特性要求大于2TB的块设备，因此，我们配置内核支持这一特性

  1. 执行 make menuconfig
  2. 选择菜单项 Enable the block layer
  3. 选中配置 Support for large（2TB+） block devices and files。

配置内核支持elf文件格式

已经配置了内核支持ext4文件系统。但是内核从文件系统加载文件，仅支持文件系统还是不够的，内核还要支持具体的文件构建，当前Linux系统使用的标准二进制格式时ELF，因此需要配置Linux支持ELF格式。步骤

  1. 执行 make menuconfig
  2. 选择 Executable file formats/Emulations
  3. 旋转配置 Kernel support for ELF binaries

构建基本根文件系统

根文件系统的基本目录结构

Linux根文件系统的目录结构时依照Filesystem Hierarchy Standard Group指定的 Filessystem Hierarchy Standard 标准。

安装C库

几乎所有的程序都依赖C库，它时整个系统的基础，因此我们首先安装C库到根文件系统。这里的文件系统只是个临时系统，我们只需按照$SYSROOT/lib 目录下的动态库及相应的动态链接/加载器需要的符号链接。

$ cd /vita
$ mkdir rootfs
$ mkdir rootfs/lib
$ cp -d sysroot/lib/* rootfs/lib
$ cp -d cross-tool/i686-none-linux-gnu/lib/lib*.so.*[0-9] rootfs/lib/

安装shell

安装C库后，构建基本的应哟管程序的基础已经具备了，接下来我们需要为内核准则用户空间的程序了。在Linux中，专门复制启动的软件包，都提供了一个二进制程序作为第一个进程执行的用户空间的程序，但是为简单期间，我们使用bash。安装bash的命令如下：

$ cd /vita/build
$ tar xvf ../source/bash-4.2.tar.gz
$ cd bash-4.2
$ ./configure --prefix=/usr \
--bindir=/bin --without-bash-malloc
$ make
$ make install DESTDIR=$SYSROOT

将bash安装到rootfs中：

$ cd /vita
$ mkdir rootfs/bin
$ cp sysroot/bin/bash rootfs/bin/
$ cd rootfs/bin
$ ln -s bash sh

安装根文件系统到目标系统

为了减少文件系统可以使用strip删除ELF中运行时不需要的符号:

$ cd /vita/rootfs
$ i686-none-linux-gnu-strip lib/* bin/*

压缩：

$ cd /vita/rootfs
$ tar zcvf ../rootfs.tgz *

至此，一个基本的内核已经构建完成。它可以运行在X86体系结构上。

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