Linux内核裁剪和定制_1.2

1.6 配置和编译 Linux 内核
    对内核进行正确配置后，才能进行编译。配置不当的内核，很有可能编译出错，或者不
    能正确运行。
    
    1.6.1 快速配置内核
        进入 Linux 内核源码数顶层目录，输入 make menuconfig 命令， 可进入
        基于 Ncurses 的 Linux 内核配置主界面（ 注意：主机须安装 ncurses 相关库才能正确运行该
        命令并出现配置界面）。如果没有在 Makefile 中指定 ARCH，则须在命令行中指定：
        $ make ARCH=arm menuconfig
                
        配置完毕，将光标移动到配置界面末尾，选中“ Save an Alternate Configuration File”后
        回车，保存当前内核配置，默认配置文件名为.config。
        
        保存完毕，选择退出内核配置界面，回到终端命令行。
        当然，也可以将配置文件命名为其它文件名，如 config-bak 等，但该配置不会被 Makefile
        文件使用， Makefile 默认使用文件名为.config 的配置文件，所以重新命名配置文件通常在保
        留或者备份内核配置信息时使用。
        也可以不用“ Save an Alternate Configuration File”操作，连按 ESC 或选择退出内
        核配置界面，将会出现保存配置提示信息，选择后回车，内核配置
        将会被保存为.config 文件。
        
        备份内核配置，在命令行下将.config 文件复制为其它文件名来得更简单快捷：
        $ cp .config config-bak

        装载某个配置文件，可在配置界面选中“ Load an Alternate Configuration File”，然后填
        入已存在的配置文件名称。 也可在命令行下将配置文件复制为.config：
        $ cp config-bak .config
        
        在目录下有很多*_defconfig 文件， 这些都是内核的预设配置文件，
        分别对应各种不同的参考板。如果要使用其中的配置文件作为内核编译配置，可用“ make
        xxx_defconfig”命令来完成。对于已经设定好的内核配置，也可以命名为某个文件名，放到
        目录下，在以后直接用 make 来调用该配置即可。例如将当前配置命名为
        m3352_defconfig 并放到目录下，后续只需执行下列命令即可使用当前配
        置：
        $ make m3352_defconfig 或者
        $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE= arm-linux-gnueabihf- m3352_defconfig
        
    1.6.2 内核配置详情
        Linux 内核配置菜单比较复杂，下面对一些比较重要的配置界面进行介绍，更多的详细
        配置，建议进行实际操作。另外，由于 Linux 内核版本差异，实际看到的内核配置界面可能
        与本节的介绍有所差异。

        表 1.4 内核配置界面一级菜单
                菜单项                             说明
            -----------------------------------------------------------------------------------------------
            General setup --->     内核通用配置选项，包括交叉编译器前缀、本地版本、内核
                                   压缩模式、 config.gz 支持、内核 log 缓冲区大小、 initramfs
                                   以及更多的内核运行特性支持等
                                
            [ ] Enable loadable module support    ---> 内核模块加载支持，通常都需要
            [ ] Enable the block layer            ---> 使能块设备。如果未选中使能，块设备将不能使用， SCSI
                                                       类字符设备和 USB 大容量类设备也将不能使用。
                                                    
            System Type     ---> 系统类型，设置 ARM 处理器型号、处理器的特性以及默认的评估板主板。
            Bus support     ---> PCMCIA/CardBUS 总线支持，目前已经很少使用
            Kernel Features ---> 内核特性，包括内核空间分配、实时性配置等特性配置
            Boot options     ---> 内核启动选项，如果采用内置启动参数，则在这里设置
           
            CPU Power Management         ---> CPU 电源管理，包括处理器频率降频、休眠模式支持等
            Floating point emulation     ---> 浮点模拟
            Userspace binary formats     ---> 用户空间二进制支持
            Power management options     ---> 电源管理选项
            [ ] Networking support       ---> 网络协议支持，包括网络选项、 CAN-Bus、红外、无线、 NFC
                                             等。其中的网络选项还有更多配置项，如 IPv4、 IPv6 等
                                            
            Device Drivers     ---> 设备驱动，包含多级下级菜单，包括驱动通用选项、 MTD
                                    设备、字符设备、网络设备、输入设备、 I2C 总线、 SPI 总
                                    线、 USB 总线、 GPIO、声卡、显卡等各种外设配置菜单
                                    
            File systems     ---> 文件系统， 包含 Ext2、 Ext3、 Ext4、 JFFS、 NFS、 DOS 等各
                                  种文件系统， 以及本地语言支持等
                                
            Kernel hacking     ---> 内核 Hacking，在内核调试阶段可酌情使能其中的选项，以
                                    获得需要的调试信息
            Security options         ---> 安全选项
            < > Cryptographic API    ---> 加密接口，内核提供的一些加密算法如 CRC32、MD5、SHA1、SHA224 等
            OCF Configuration        ---> 开放的加密框架
            Library routines         ---> 库例程
            Load an Alternate Configuration File 装载一个配置文件
            Save an Alternate Configuration File 保存为一个配置文件
            
            一级菜单下的每一项几乎都有复杂的下级子菜单，各自的配置选项也很丰富，每项的意
            义也各不相同，如果逐一进行描述，将会是一件非常繁琐的事。而实际产品开发中，并不需
            要完全了解内核的每一个配置项，通常只需要了解其中一些相关项即可。

    1.6.3 编译内核
        内核配置完成，输入 make 命令即可开始编译内核。如果没有修改 Makefile 文件并指定
        ARCH 和 CROSS_COMPILE 参数，则须在命令行中指定：
        $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
        
        目前大多数主机都是多核处理器，为了加快编译进度，可以开启多线程编译，在 make
        的时候加上“ -jN”即可， N 的值为处理器核心数目的 2 倍。例如对于 I7 4核处理器，可将
        N 设置为 8：
        $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi- -j8
        
        采用多线程编译的优点是能加快编译进度，缺点是如果内核中有错误，某个编译线程遇
        到错误终止了编译，而其它编译线程却还在继续，出错线程的错误提示通常会被其它编译线
        程的输出信息淹没，不利于排查。对于这种情况，则建议改为单线程编译，直到错误排除。
        如果编译不出错，编译完成，会生成 vmlinux、 Image、 zImage 等文件，各文件说明如
        表 1.10 所列。
        
        表 1.10 内核编译生成文件说明
            文件            说明
            -----------------------------------------------------------------------------------------
            vmlinux     
                未经压缩、带调试信息和符号表的内核文件，elf 格式，在顶层目录下
            
            arch/arm/boot/compressed/vmlinux     
                经过压缩的 Image(这个Image就是上面的在顶层目录下生成的vmlinux，只是名字一样容易混淆)，
                并加入了解压头的 elf 格式文件
            
            arch/arm/boot/Image
                将 vmlinux 去除调试信息、注释和符号表等，只包含内核代码和数据后得到的非 elf 格式文件   
             
            arch/arm/boot/zImage
                经过 objcopy 处理，能直接下载到内存中执行的内核映像文件
        
        1． zImage
            zImage 是通常情况下默认的压缩内核，可以直接加载到内存地址并开始执行。它从
            文件经过 objcopy 处理得到。在 ARM Linux 下最终生成
            zImage 的各个参数记录在文件中。
            
            中的信息如下：也就是利用命令arm-linux-objcopy，将内核镜像的格式进行转换。
                cmd_arch/arm/boot/zImage := arm-linux-objcopy -O binary -R .note -R .note.gnu.build-id -R .comment -S  
                arch/arm/boot/compressed/vmlinux arch/arm/boot/zImage

            
        2． uImage
            对于 ARM Linux 系统，大多数采用 U-Boot 引导，很少直接使用 zImage 映像，实际上
            更多的是 uImage。 uImage 是 U-Boot 默认采用的内核映像文件，它是在 zImage 内核映像之
            前加上了一个长度为 64 字节信息头的映像。这 64 字节信息头包括映像文件的类型、加载位
            置、生成时间、大小等信息（ 可参考 U-Boot 源码文件的 image_header_t 数
            据结构定义）。进入目录，用 ls 命令查看， uImage 文件大小比 zImage 大 64
            字节：
            $ cd arch/arm/boot
            $ ls -la Image zImage uImage
                r-xr-x 1 root root 4222656 2017-01-10 16:42 Image
                -rw-r--r-- 1 root root 2070660 2017-01-11 09:11 uImage
                -rwxr-xr-x 1 root root 2070596 2017-01-11 09:11 zImage
            在 U-Boot 下，通过 bootm 命令可以引导 uImage 映像文件启动。
            
        3． mkimage 工具
            从 zImage 生成 uImage 需要用到 mkimage 工具。该工具可在编译 U-Boot 源码后从 tools
            目录下获得，复制到系统/usr/bin 目录即可；对于 Ubuntu 系统，还可用 sudo apt-get install
            u-boot-tools 命令安装得到。进入 mkimage 文件所在目录执行该文件，或者在安装 mkimage
            工具后，直接在终端输入 mkimage 命令，可以得到 mkimage 工具的用法：
            $ ./mkimage 或者 mkimage
            Usage: ./mkimage -l image
                -l ==> list image header information
                ./mkimage [-x] -A arch -O os -T type -C comp -a addr -e ep -n name -d data_file[:data_file...] image
                -A ==> set architecture to 'arch'
                -O ==> set operating system to 'os'
                -T ==> set image type to 'type'
                -C ==> set compression type 'comp'
                -a ==> set load address to 'addr' (hex)
                -e ==> set entry point to 'ep' (hex)
                -n ==> set image name to 'name'
                -d ==> use image data from 'datafile'
                -x ==> set XIP (execute in place)
                ./mkimage [-D dtc_options] -f fit-image.its fit-image
                ./mkimage -V ==> print version information and exit
                
        使用 mkimage 工具根据 zImage 制作 uImage 映像文件的命令如下：
        $ mkimage [-x] -A arch -O os -T type -C comp -a addr -e ep -n name -d data_file[:data_file...] image
        
        对于 EPC-28x 处理器，内存起始地址为 0x40000000 (0x40008000)，从 zImage 生成 uImage 映像文件
        的命令实际操作范例：
       

$ mkimage -A arm -O linux -T kernel -C none -a 0x40008000 -e 0x40008000 -n 'Linux-2.6.35' -d arch/arm/boot/zImage arch/arm/boot/uIma

        【注意：上面的命令在一行输入完成】

        说明：内存地址与处理器相关，在不同处理器上可能有差异。
        mkimage 除了可以制作 uImage 映像文件之外， 还可以查看一个 uImage 映像文件的文件
        头信息， 用法：
        $ mkimage -l uImage_file
        
        例如，用 mkimage 工具查看 EPC-28x 工控主板的 uImage 内核映像，可以得到如下信息：
        $ mkimage -l uImage
            Image Name: Linux-2.6.35.3-571-gcca29a0-g191
            Created: Tue Nov 17 11:57:47 2015
            Image Type: ARM Linux Kernel Image (uncompressed)
            Data Size: 2572336 Bytes = 2512.05 kB = 2.45 MB
            Load Address: 40008000
            Entry Point: 40008000
            
        如果只有 zImage 内核映像文件，需要转换成 uImage 映像文件，则只能通过上述命令来
        实现。但是如果有内核源码，那生成 uImage 的方法就简单很多。实际上， Linux 内核已经
        支持直接生成 uImage 格式映像文件，在文件中给出了 uImage 的生
        成规则：
            quiet_cmd_uimage = UIMAGE $@
            cmd_uimage = $(CONFIG_SHELL) $(MKIMAGE) -A arm -O linux -T kernel \
            -C none -a $(LOADADDR) -e $(STARTADDR) \
            -n 'Linux-$(KERNELRELEASE)' -d $< $@
            
        生成 uImage 的编译命令为 make uImage：
        $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi- -j8 uImage
        
        在 ARM Linux 下最终生成 uImage 的各个参数记录在文件
        中。 对于在 EPC-28x 的 Linux 内核， 实际参数为：
            cmd_arch/arm/boot/uImage := /bin/bash /home/vmuser/prj/m28x/kernel/linux-2.6.35.3/scripts/mkuboot.sh -A arm
            -O linux -T kernel -C none -a 0x40008000 -e 0x40008000 -n 'Linux-2.6.35.3-571-gcca29a0-g1914ba0' -d
            arch/arm/boot/zImage arch/arm/boot/uImage
        说明：路径信息与实际具体编译环境有关。

4． 编译内核模块
        模块编译：
            如果内核中有配置为的模块或者驱动，需要在编译内核后再通过 make modules 命令编译这些模块或者驱动：
            $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi- modules
            
            编译得到的内核模块文件以“ .ko”结尾，这些可以通过 insmod 命令插入到运行的内核中。
            有的模块编译得到单一的“ .ko”文件，且不依赖于其它模块，这样的模块可以直接用insmod 命令插入系统而不会出现错误。
            有的模块则可能编译后得到多个“ .ko”文件，或者依赖于其它模块文件，且各文件插入还有顺序要求，这就是常说的
            模块依赖。对于这样的情况，用 insmod 命令手工尝试得到依赖关系，然后按顺序插入也是可以的，但不推荐这样做，
            毕竟很麻烦。
            
        模块安装：
            建议编译模块后，再通过 make modules_install 命令安装模块，可将编译得到的全部模块安装到某一目录下，
            并且还会生成模块的依赖关系文件。默认情况下会将内核模块安装到编译机器的“ /”目录下，这一方面需要root
            权限，另一方面容易与主机文件混淆。
            
            建议通过 INSTALL_MOD_PATH 参数指定模块安装路径：
            $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi- INSTALL_MOD_PATH=/work/rootfs  modules_install
            
            安装后将在安装目录下生成 “lib/modules/内核版本/” 目录，该目录下通常有下列文件和目录：
                build modules.alias modules.builtin modules.dep modules.devname
                modules.softdep modules.symbols.bin kernel/ modules.alias.bin modules.builtin.bin
                modules.dep.bin modules.order modules.symbols source
            
            所有的内核模块都在 kernel 目录下， modules.dep 是全部模块的依赖关系文件。将
            “lib/modules/内核版本/” 复制到目标系统后根目录后，就可以用 modprobe 命令进行模块安
            装，而不用手工逐一加载各个模块。该文件内容多少与内核模块多少相关，现在摘取一个实
            例片段进行说明：
            kernel/drivers/net/bonding/bonding.ko:  (1)
            kernel/drivers/usb/serial/usbserial.ko: (2)
            kernel/drivers/usb/serial/ftdi_sio.ko: kernel/drivers/usb/serial/usbserial.ko (3)
            每行开头至冒号(:)之前的表示一个内核模块，冒号之后的表示该模块所依赖的其它模块，
            必须先加载后面的模块才能加载该模块文件。冒号后面为空则表示该模块没有依赖关系。
            第(1)行表示模块文件 bonding.ko 没有依赖关系，可以直接用 insmod 命令加载到内核中：
            # insmod kernel/drivers/net/bonding/bonding.ko
            
            用 insmod 加载模块，必须指明文件路径，否则不能加载。用 modprobe 命令加载则无需带路径：
            # modprobe bonding
            
            第(2)和(3)则共同说明了模块文件 ftdi_sio.ko 依赖于 usbserial.ko 文件， usbserial.ko 没有
            依赖文件。用 insmod 命令用法如下：
            # indmod kernel/drivers/usb/serial/usbserial.ko
            # insmod kernel/drivers/usb/serial/ftdi_sio.ko
            
            用 modprobe 命令就简单了：
            # modprobe ftdi_sio
            
    1.6.4 运行内核
        得到 uImage 映像文件后，将 uImage 加载到内存地址 ep-0x40 处，通过 bootm 命令即可
        运行内核：(zImage为真正的可以烧写的内核压缩镜像，而uImage为uboot启动的内核镜像，在zImage基础上加了64Bytes头信息。)
        # tftp 40007fc0 uImage     （地址为：40008000 - 64 = 40007fc0）
        # bootm 40007fc0
        uImage 启动会打印文件头信息并进行校验和计算，校验通过后开始内核自解压并运行：
        ## Booting kernel from Legacy Image at 40007fc0 ...
            Image Name: Linux-2.6.35.3-571-gcca29a0-gd43
            Image Type: ARM Linux Kernel Image (uncompressed)
            Data Size: 2653928 Bytes = 2.5 MB
            Load Address: 40008000
            Entry Point: 40008000
            Verifying Checksum ... OK
            Loading Kernel Image ... OK
            OK
            Starting kernel ...
            Uncompressing Linux... done, booting the kernel.
            ……
            以下省略
            
1.7 Linux 内核裁剪实例
    从零开始配置内核是不明智的，建议在某一个默认配置的基础上进行修改，以达到自己产品的实际需求。
    裁剪和配置内核的基本原则：
        a. 基于某一个最接近的主板配置来修改；
        b. 必须的、 能确定的选项选中；
        c. 不能确定的则不要改变原来配置；
        d. 可选可不选的，建议根据 help 信息决定或者不选；
        e. 一次改动不要太多，渐进式修改和验证；
        f. 注意及时备份配置文件，出现意外可以回退恢复。
        
    1.7.1 GPIO 子系统配置
        Linux 2.6 以上内核引入了子系统， GPIO 子系统将全部 GPIO 的操作接口都通过“ /sys/class/gpio/” 目录导出，
        非常方便用户使用。
        
    1.7.2 LED 子系统配置
        Linux LED 子系统提供了“ /sys/class/leds/”的访问接口，启用 LED 子系统能很方便地操作系统的 LED 资源。
        在“ Device Drivers”配置界面，选中“ LED Support”支持：
            <*> MMC/SD/SDIO card support --->
            < > Sony MemoryStick card support (EXPERIMENTAL) --->
            [*] LED Support --->
            [ ] Accessibility support --->
        进入“ LED Support” 子菜单， 选中 LED 类支持和 LED 触发器支持， 并根据需要设置触发器：
            --- LED Support
            [*] LED Class Support
            *** LED drivers ***
            ...
            [*] LED Trigger support
            *** LED Triggers ***
            <*> LED Timer Trigger
            <*> LED Heartbeat Trigger
            < > LED backlight Trigger
            <*> LED GPIO Trigger
            <*> LED Default ON Trigger
        只要将系统的 LED 设备驱动添加到 LED 子系统中，即可通过“ /sys/class/leds/”接口来进行访问。
        
    1.7.3 串口配置
        串口是嵌入式 Linux 必不可少的外设，默认控制台通常就是串口，所以必须在内核中使
        能串口以及串口控制台支持。
    
    1.7.4 USB Host 驱动配置
        USB 可以外接多种设备，不同设备的驱动配置也是不同的。下面以常用的 U 盘、 USB鼠标键盘配置为例进行介绍。
        1． 使用 U 盘
            U 盘在 Linux 系统下被认为是 SCSI 设备，所以必须在内核中选择支持 SCSI。在主菜单
            界面选择“ Device Drivers”，进入设备驱动配置界面，选择“ SCSI device support”。
        
        2． 使用 USB 键盘和鼠标
            使用 USB 键盘或者鼠标，需要在内核中使能 HID 支持。在“ Device Drivers”菜单界面，
            选中“ HID Devices”：
                <*> Sound card support --->
                [*] HID Devices --->
                [*] USB support --->
                <*> MMC/SD/SDIO card support --->
            进入“ HID Devices”，选中“ USB Human Interface Device (full HID) support”。
        
    1.7.5 USB Gadget 驱动配置
        USB Gadget 能通过 USB Device 实现诸如 U 盘模拟、USB 串口、USB 网卡等多种功能。
        首先在内核配置使能“ USB Gadget Support”。
        ....
        
    1.7.6 SD/MMC 驱动配置
        在“ Device Drivers”菜单中使能“ MMC/SD/SDIO card support”：
            Device Drivers --->
            <*> MMC/SD/SDIO card support --->
        进入“ MMC/SD/SDIO card support”，使能 “ MMC block device driver”。在 “ MMC/SD/SDIO
        Host Controller Drivers”下选择处理器对应的 SD/MMC 控制器。

        另外还需根据 SD/MMC 卡的文件系统格式在内核中配置相应的文件系统支持。如果是
        FAT 格式，请参考前面“使用 U 盘”中 VFAT 的配置；如果采用 Ext2/3/4 格式，则进行如下配置：
            File systems --->
            <*> Second extended fs support
            <*> Ext3 journalling file system support
            <*> The Extended 4 (ext4) filesystem
        
    1.7.7 网卡驱动配置
        配置网卡首先要在主菜单中使能网络，即选中“ Networking support”：
            Power management options --->
            [*] Networking support --->
            Device Drivers --->
            File systems --->
        为了正常使用网络，通常还需在“ Networking options” 中配置 TCP/IP。
        
    1.7.8 NFS Client 配置
        使用 NFS 文件系统，首先需要保证网卡可用，且在内核已经配置了网卡。在“ File system”
        配置界面使能“ Network File Systems”并进行配置。
        
    1.7.9 PPP 拨号配置
        PPP 拨号配置， 在“ Device Drivers” 的“ Network device support” 菜单下。选中并使能
        “ PPP (point-to-point protocol) support” 及子选项即可使用 PPP 拨号功能。这里以模块方式
        编译。
        
    1.7.10 MTD 配置
        在内核配置主菜单界面，进入“ Device Drivers”界面，选择“ Memory Technology Device(MTD) support”：
            < > Connector - unified userspace <-> kernelspace linker --->
            <*> Memory Technology Device (MTD) support --->
                Device Tree and Open Firmware support --->
            < > Parallel port support --->
        并进入“ Memory Technology Device (MTD) support”，进行配置。
    
    1.7.11 UBIFS 文件系统配置
        UBIFS 是工作于 UBI 子系统之上的文件系统，而 UBI 又工作于 MTD 设备上，所以首
        先需要在 MTD 中使能 UBI：
            Device Drivers --->
            <*> Memory Technology Device (MTD) support --->
            <*> Enable UBI - Unsorted block images --->
        进入“ Enable UBI - Unsorted block images”， 对 UBI 进行配置：
            --- Enable UBI - Unsorted block images
            (4096) UBI wear-leveling threshold
            (1) Percentage of reserved eraseblocks for bad eraseblocks handling
            < > MTD devices emulation driver (gluebi)
            [ ] UBI debugging
        其中“ Percentage of reserved eraseblocks for bad eraseblocks handling” 设置用于坏块管理
        的保留块的百分比， 默认是 1%， 可以适当调整大一些， 不过必须与 U-Boot 中的设置一致。
        还需在文件系统设置中使能和配置 UBIFS：
            File systems --->
            [*] Miscellaneous filesystems --->
            <*> UBIFS file system support
            [*] Extended attributes support
            [*] Advanced compression options
            [*] LZO compression support (NEW)
            [*] ZLIB compression support (NEW)
            
    1.7.12 CAN 驱动配置
        前面已经提到过， CAN 设备驱动的配置路径不在“ Devie Drivers”下，而是在 “ Networking
        support” 中。进入内核配置主菜单，选择“ Networking support”。

        
1.8 EPC-28x 平台内核快速编译
    从 EPC-28x光盘内获取内核源码包 EPC-28x.xxxxx.tar.bz2，然后把它拷贝到 Ubuntu 下面，执行如下步骤：
    1. 解压缩
        vmuser@Linux-host ~$ tar -vxjf EPC-28x.xxxxx.tar.bz2
        解压后产生内核目录: linux-2.6.35.3
        
    2. 编译内核
        EPC-28x 内核源码的 Makefile 文件内已经配置好了 ARCH 和 CROSS_COMPILE，所以在 make 时无需指定
        ARCH 和 CROSS_COMPILE。
        EPC-28x 的源码已经包含配置好的.config 文件， 无需 make menuconfig 配置即可使用默认配置， 除非需要改动内核配置。
        vmuser@Linux-host ~$ cd linux-2.6.35.3
        vmuser@Linux-host ~/ linux-2.6.35.3$ make uImage
        
        编译完成，将得到内核文件。
        另外，在执行 make distclean 或者 make mrproper 之前， 请先将.config 配置文件备份，
        如：vmuser@Linux-host ~/ linux-2.6.35.3$cp .config config-bak