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内核根目录下的vmlinux映像文件是内核Makefile的默认目标。这个vmlinux映像的生成可以通过阅读内核Makefile文件得知,简单的说:Makefile解析内核配置文件.config,递归到各目录下编译出.o文件,最后将其链接成vmlinux。而这个链接成的vmlinux文件是一个包含内核代码的静态可执行ELF文件,你可以通过file命令来验证这一点。她不能通过bootloader引导并启动,如果想要使其可引导,必须使用编译工具链中的objcopy命令把这个ELF格式的vmlinux转化为二进制格式才行。
而平常使用的zImage文件就是这个vmlinux文件经过多次的转换得到的。现在就来仔细研究一下她的生成过程。
(1)arch/$(ARCH)/Makefile
首先嵌入式中经常使用的编译目标zImage并不在顶层Makefile文件中,而在被顶层Makefile包含的arch/$(ARCH)/Makefile文件中,对于ARM处理器来说就是arch/arm/Makefile文件。其中的部分规则如下:
- ……
- # Default target when executing plain make
-
ifeq ($(CONFIG_XIP_KERNEL),y)
-
KBUILD_IMAGE := xipImage
-
else
-
KBUILD_IMAGE := zImage
-
endif
-
-
all: $(KBUILD_IMAGE)
-
-
boot := arch/arm/boot
-
-
archprepare:
-
$(Q)$(MAKE) $(build)=arch/arm/tools include/generated/mach-types.h
-
-
# Convert bzImage to zImage
-
bzImage: zImage
-
-
zImage Image xipImage bootpImage uImage: vmlinux
-
$(Q)$(MAKE) $(build)=$(boot) MACHINE=$(MACHINE) $(boot)/$@
- ……
从这里可以看出,zImage的依赖是顶层vmlinux文件,下面的命令展开得到:
- make -f scripts/Makefile.build obj= arch/arm/boot MACHINE=arch/arm/mach-* arch/arm/boot/ zImage
可以看出zImage其实是make解析arch/arm/boot目录下的Makefile文件生成的,而参数传递了目标芯片信息和目标“arch/arm/boot/zImage”。所以zImage其实是在arch/arm/boot目录下完成编译的,这就是为什么可引导zImage映像会在arch/arm/boot目录下。
(2)arch/$(ARCH)/boot/Makefile
现在来分析一下arch/arm/boot/Makefile中的部分规则,看看目标zImage的生成:
- $(obj)/Image: vmlinux FORCE
-
$(call if_changed,objcopy)
-
@echo ' Kernel: $@ is ready'
-
-
$(obj)/compressed/vmlinux: $(obj)/Image FORCE
-
$(Q)$(MAKE) $(build)=$(obj)/compressed $@
-
-
$(obj)/zImage: $(obj)/compressed/vmlinux FORCE
-
$(call if_changed,objcopy)
-
@echo ' Kernel: $@ is ready'
先看最后一行,从中可以得知arch/arm/boot/zImage的依赖目标是arch/arm/boot/ compressed/vmlinux,且目标zImage是其二进制化的产物。
而arch/arm/boot/compressed/vmlinux是如何得到的呢?再看上一规则,arch/arm/boot/compressed/vmlinux的依赖目标是arch/arm/boot/Image。这个依赖目标的生成由最上面的规则决定,显然arch/arm/boot/Image是由顶层vmlinux二进制化得到的。而中间这行规则的含义是arch/arm/boot/compressed/vmlinux由make解析arch/arm/boot/compressed/目录下的Makefile文件生成的,这条命令展开得到:
- make -f scripts/Makefile.build obj= arch/arm/boot/compressed arch/arm/boot/compressed/vmlinux
(3)arch/$(ARCH)/boot/compressed/Makefile
最后就来分析一下arch/arm/boot/compressed/Makefile中的部分规则,看看arch/arm/boot/compressed/vmlinux 的生成:
- ......
- suffix_$(CONFIG_KERNEL_GZIP) = gzip
- suffix_$(CONFIG_KERNEL_LZO) = lzo
- suffix_$(CONFIG_KERNEL_LZMA) = lzma
- ......
- $(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.$(suffix_y).o \
-
$(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) $(lib1funcs) FORCE
-
$(call if_changed,ld)
-
@$(check_for_bad_syms)
-
-
$(obj)/piggy.$(suffix_y): $(obj)/../Image FORCE
-
$(call if_changed,$(suffix_y))
-
-
$(obj)/piggy.$(suffix_y).o: $(obj)/piggy.$(suffix_y) FORCE
- ......
上面的第一条规则就说明了:其实arch/arm/boot/compressed/vmlinux是由几个部分根据arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds 脚本链接而成的:
$(obj)/$(HEAD):arch/arm/boot/compressed/head.o,在链接时处于vmlinux的最前面,其主要作用就是做一些必要的初始化工作,如初始化CPU、中断描述符表IDT 和内存页目录表GDT等等,最后跳到misc.c中的decompress_kernel函数进行内核的自解压工作。
$(addprefix $(obj)/, $(OBJS)):arch/arm/boot/compressed/ misc.o,位于head.o之后,是内核自解压的实现代码。
以下假定是gzip模式压缩:
$(obj)/piggy.$(suffix_y).o:arch/arm/boot/compressed/ piggy.gzip.o,其实是arch/arm/boot/Image经过gzip压缩后(piggy.gzip),再借助piggy.gzip.S一起编译出的ELF可链接文件。其中的原理可以看看piggy.gzip.S源码:
- .section .piggydata,#alloc
-
.globl input_data
-
input_data:
-
.incbin "arch/arm/boot/compressed/piggy.gzip"
-
.globl input_data_end
-
input_data_end:
这里我还是要额外的提一下gzip压缩,也就是$(call if_changed,$(suffix_y))这个过程。这个命令认真解析起来比较麻烦,这里如果有兴趣的读者可以自行分析。这里介绍两篇经典的分析文档:《kbuild实现分析》、《Kbuild系统原理分析》,读者可自行上网下载学习。这里我直接给出了结果,这条命令执行了在Makefile.lib(scripts)中定义的:
- cmd_gzip = (cat $(filter-out FORCE,$^) | gzip -n -f -9 > $@) || \
-
(rm -f $@ ; false)
也就是说,piggy.gzip是将arch/arm/boot/Image文件cat到标准输出,并通过管道传入gzip命令(gzip -n -f -9 )的标准输入,最后将gzip的输出重定向到目标piggy.gzip
而这个piggy.gzip文件有一个重要的特性:最后的四个字节,是文件压缩前的大小数据,存放格式是小端模式。这个数据在zImage自解压时会被用于程序得到内核解压后所需要的空间!!!
感兴趣的朋友可以自己随便用“gzip -n -f -9”压缩一个文件试试,验证一下,我已亲自验证过了。
这样跟踪下来,zImage的产生过程已经看完了,但是读者可能会被这有点复杂的关系绕晕了,所以现在可以结合一下的流程图简单地总结一下:
首先顶层vmlinux是ELF格式的可执行文件,必须将其二进制化生成Image后才可以被bootloader引导。为了实现压缩的内核映像,arch/arm/boot/compressed/Makefile又将这个非压缩映像Image做gzip压缩,生成了piggy.gzip。但要实现在启动时自解压,必须将这个piggy.gzip转化为.o文件,并同初始化程序head.o和自解压程序misc.o一同链接,生成arch/arm/boot/compressed/vmlinux。最后arch/arm/boot/Makefile将这个ELF格式的arch/arm/boot/compressed/vmlinux二进制化得到可被bootloader引导的映像文件zImage。