linux 系统移植（第十期）----Linux 顶层 Makefile详谈-- Ubuntu20.04

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

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前言

[一、make xxx_defconfig 过程](#一、make xxx_defconfig 过程)

[二、Makefile.build 脚本分析](#二、Makefile.build 脚本分析)

[2.1、scripts_basic 目标对应的命令](#2.1、scripts_basic 目标对应的命令)

[2.2、 %config 目标对应的命令](#2.2、 %config 目标对应的命令)

[三、make 过程](#三、make 过程)

3.1、head-y

[3.2、init-y、drivers-y 和 net-y](#3.2、init-y、drivers-y 和 net-y)

3.3、libs-y

3.4、core-y

[四、built-in.o 文件编译生成过程](#四、built-in.o 文件编译生成过程)

[五、 make zImage 过程](#五、 make zImage 过程)

总结

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前言

上两期主要介绍了Linux 内核的获取，编译以及顶层 Makefile 的简单介绍，这一期开始会对顶层 Makefile进行更加全面细致的研究。

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一、make xxx_defconfig 过程

第一次编译 Linux 之前都要使用"make xxx_defconfig"先配置 Linux 内核，在顶层 Makefile 中有"%config"这个目标，如下所示：

490 config-targets := 0
491 mixed-targets := 0
492 dot-config := 0
493
494 ifneq ($(filter $(no-dot-config-targets), $(MAKECMDGOALS)),)
495   ifeq ($(filter-out $(no-dot-config-targets), $(MAKECMDGOALS)),)
496     dot-config := 0
497   endif
498 endif
499
500 ifneq ($(KBUILD_EXTMOD),)
501   ifneq ($(filter config %config,$(MAKECMDGOALS)),)
502     config-targets := 1
503   endif
504 endif
---
# 第二部分：混合目标处理
505 ifneq ($(words $(MAKECMDGOALS)),1)
506   mixed-targets := 1
507 endif
508 endif
509 endif
510
511 ifeq ($(mixed-targets),1)
512   # We're called with mixed targets (*config and build targets).
513   # Handle them one by one.
514   PHONY += $(MAKECMDGOALS) __build_one_by_one
515   $(filter-out __build_one_by_one, $(MAKECMDGOALS)): __build_one_by_one
516   __build_one_by_one:
517 	@:
518
519 _build_one_by_one:
520   for i in $(MAKECMDGOALS); do \
521     $(MAKE) -f $(srctree)/Makefile $$i; \
522   done
523
524 
525 else
526 ifeq ($(config-targets),1)
527 # ================================================================
528 # *config targets only - make sure prerequisites are updated, and
529 # descend in scripts/kconfig to make the *config target
530
531 # Read arch specific Makefile to set KBUILD_DEFCONFIG as needed.
532 # KBUILD_DEFCONFIG may point out an alternative default
533 # configuration used for 'make defconfig'
534 include arch/$(SRCARCH)/Makefile
535 export KBUILD_DEFCONFIG KBUILD_KCONFIG
536
537 config: scripts_basic outputmakefile FORCE
538 	$(Q)$(MAKE) $(build)=scripts/kconfig $@
539
540 %config: scripts_basic outputmakefile FORCE
541 	$(Q)$(MAKE) $(build)=scripts/kconfig $@
542
543 else

......
563 endif # KBUILD_EXTMOD

第 490~507 行和 uboot 一样，都是设置定义变量 config-targets、mixed-targets 和 dot-config

的值，最终这三个变量的值为：

config-targets=1
mixed-targets=0
dot-config=1

因为 config-targets=1，因此第 534 行~541 行成立。第 534 行引用 arch/arm/Makefile 这个文

件，这个文件很重要，因为 zImage、uImage 等这些文件就是由 arch/arm/Makefile 来生成的。

第 535 行导出变量 KBUILD_DEFCONFIG KBUILD_KCONFIG。

第 537 行，没有目标与之匹配，因此不执行。

第 540 行，"make xxx_defconfig"与目标"%config"匹配，因此执行。"%config"依赖scripts_basic、outputmakefile 和 FORCE，"%config"真正有意义的依赖就只有 scripts_basic， scripts_basic 的规则如下：

scripts_basic:
	$(Q)$(MAKE) $(build)=scripts/basic
	$(Q)rm -f .tmp_quiet_recordmcount

build 定义在文件 scripts/Kbuild.include 中，值为 build := -f $(srctree)/scripts/Makefile.build obj，因此将上述代码展开就是：

scripts_basic:
	@make -f ./scripts/Makefile.build obj=scripts/basic    // 也可以没有@，视配置而定
	@rm -f .tmp_quiet_recordmcount                       // 也可以没有@

其实

%config: scripts_basic outputmakefile FORCE
	$(Q)$(MAKE) $(build)=scripts/kconfig $@

展开就是：

@make -f ./scripts/Makefile.build obj=scripts/kconfig xxx_defconfig

二、Makefile.build 脚本分析

从make xxx_defconfig的过程中可知，"make xxx_defconfig"配置 Linux 的时候如下两行命令会执行脚本 scripts/Makefile.build：

@make -f ./scripts/Makefile.build obj=scripts/basic
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=scripts/kconfig xxx_defconfig

依次分析一下这两行代码

2.1、 scripts_basic 目标对应的命令

scripts_basic 目标对应的命令为：@make -f ./scripts/Makefile.build obj=scripts/basic。打开文件 scripts/Makefile.build，有如下代码：

41 # The filename Kbuild has precedence over Makefile
42 kbuild-dir := $(if $(filter /%,$(src)),$(src),$(srctree)/$(src))
43 kbuild-file := $(if $(wildcard $(kbuild-dir)/Kbuild),$(kbuild-dir)/Kbuild,$(kbuild-dir)/Makefile)
44 include $(kbuild-file)

将 kbuild-dir 展开后为：

kbuild-dir=./scripts/basic

将 kbuild-file 展开后为：

kbuild-file=./scripts/basic/Makefile

最后将44行展开如下：

include ./scripts/basic/Makefile

继续分析scripts/Makefile.build 如下代码：

__build: $(if $(KBUILD_BUILTIN),$(builtin-target) $(lib-target) $(extra-y)) \
	$(if $(KBUILD_MODULES),$(obj-m) $(modorder-target)) \
	$(subdir-ym) $(always)
	@:

build 是默认目标，因为命令"@make -f ./scripts/Makefile.build obj=scripts/basic"没有指定目标，所以会使用到默认目标__build。在顶层 Makefile 中，KBUILD_BUILTIN 为 1，KBUILD_MODULES 为空，因此展开后目标__build 为：

__build:$(builtin-target) $(lib-target) $(extra-y) $(subdir-ym) $(always)
	@:

可以看出目标__build 有 5 个依赖：builtin-target、lib-target、extra-y、subdir-ym 和 always。 这 5 个依赖的具体内容如下：

builtin-target =
lib-target =
extra-y =
subdir-ym =
always = scripts/basic/fixdep scripts/basic/bin2c

只有 always 有效，因此__build 最终为：

__build: scripts/basic/fixdep scripts/basic/bin2c
       @:

__build 依赖于 scripts/basic/fixdep 和 scripts/basic/bin2c，所以要先将 scripts/basic/fixdep 和

scripts/basic/bin2c.c 这两个文件编译成 fixdep 和 bin2c。

所以总结一下：make -f ./scripts/Makefile.build obj= scripts/basic ->生成fixdep和bin2c

2.2 、 %config 目标对应的命令

%config 目标对应的命令为：

@make -f ./scripts/Makefile.build obj=scripts/kconfig xxx_defconfig

其实他的作用是编译scripts/kconfig/conf.c生成conf 这个软件

此软件就会将%_defconfig 中的配置输出到.config 文件中，最终生成 Linux kernel 根目录下

的.config 文件。

即：

make -f ./scripts/Makefile.build obj=scripts/kconfig xxx_defconfig ->

scripts/kconfig/conf --defconfig=arch/arm/configs/%_defconfig Kconfig ->.config

三、make 过程

使用命令"make xxx_defconfig"配置好 Linux 内核以后就可以使用"make"或者"make all" 命令进行编译。顶层Makefile 有如下代码：

125 PHONY := _all
126 _all:
......
192 PHONY += all
193 ifeq ($(KBUILD_EXTMOD),)
194 _all: all
195 else
196 _all: modules
197 endif
......
608 all: vmlinux

第 126 行，_all 是默认目标，如果使用命令"make"编译 Linux 的话此目标就会被匹配。

第 193 行，如果 KBUILD_EXTMOD 为空的话 194 行的代码成立。

第 194 行，默认目标_all 依赖 all。

第 608 行，目标 all 依赖 vmlinux，所以接下来的重点就是 vmlinux！

vmlinux相关代码也在顶层 Makefile 代码段，如下：

# 第一部分：vmlinux 链接准备
901 # Externally visible symbols (used by link-vmlinux.sh)
902 export KBUILD_VMLINUX_INIT := $(head-y) $(init-y)
903 export KBUILD_VMLINUX_MAIN := $(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y)
904 export KBUILD_LDS         := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds
905 export LDFLAGS_vmlinux
906 # used by scripts/package/Makefile
907 export KBUILD_IMAGE   := $(if $(filter-out arch/%,$(vmlinux-
all-y)),arch/$(SRCARCH)/boot/$(KBUILD_IMAGE),$(KBUILD_IMAGE))
908 vmlinux-dirs  := arch Documentation include samples scripts tools virt
909
910 vmlinux: $(KBUILD_LDS) $(KBUILD_VMLINUX_INIT) $(KBUILD_VMLINUX_MAIN)
$(KBUILD_VMLINUX_LIBS)
911
# 第二部分：vmlinux 链接及后续处理
913 # Final link of vmlinux
914 cmd_link-vmlinux = $(CONFIG_SHELL) $< $(LD) $(LDFLAGS) $(LDFLAGS_vmlinux)
915 vmlinux: scripts/link-vmlinux.sh FORCE
916 	$(call if_changed,link-vmlinux)
917 	@:
918
919 # Include targets which we want to
920 # execute if the rest of the kernel build went well.
921 vmlinux: scripts/link-vmlinux.sh FORCE
922 ifdef CONFIG_HEADERS_CHECK
923 	$(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile headers_check
924 endif
925 ifdef CONFIG_SAMPLES
926 	$(Q)$(MAKE) $(build)=samples
927 endif
928 ifdef CONFIG_BUILD_DOCSRC
929 	$(Q)$(MAKE) $(build)=Documentation
930 endif
931 ifdef CONFIG_GDB_SCRIPTS
932 	$(Q)ln -fsn $(srctree) $@.gdb /bin/pwd/scripts/gdb/vmlinux-gdb.py
933 endif
934 	$(call if_changed,link-vmlinux)

第 920 行可以看出目标 vmlinux 依赖 scripts/link-vmlinux.sh $(vmlinux-deps) FORCE。

912 行定义了 vmlinux-deps，值为：

vmlinux-deps=$(KBUILD_LDS) $(KBUILD_VMLINUX_INIT) $(KBUILD_VMLINUX_MAIN)

第 905 行，KBUILD_VMLINUX_INIT= (head-y) (init-y)。

第 906 行，KBUILD_VMLINUX_MAIN = (core-y) (libs-y) (drivers-y) (net-y)。

第 907 行，KBUILD_LDS= arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds，其中 SRCARCH=arm，因

此 KBUILD_LDS= arch/arm/kernel/vmlinux.lds。

综上所述，vmlinux 的依赖为：scripts/link-vmlinux.sh、(head-y) 、(init-y)、$(core-y) 、

(libs-y) 、(drivers-y) 、$(net-y)、arch/arm/kernel/vmlinux.lds 和 FORCE。

第 933 行的命令用于链接生成 vmlinux。

所以重点来看一下这6个依赖：下(head-y) 、(init-y)、(core-y) 、(libs-y) 、(drivers-y) 和(net-y)

3.1 、 head-y

head-y 定义在文件 arch/arm/Makefile 中，内容如下：

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

当不使能 MMU 的话 MMUEXT=-nommu，如果使能 MMU 的话为空，因此 head-y 最终的值为：

head-y = arch/arm/kernel/head.o

3.2 、 init-y 、 drivers-y 和 net-y

在顶层 Makefile 中有如下代码：

init-y        := init/
drivers-y     := drivers/ sound/ firmware/
net-y         := net/
......
init-y        := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(init-y))
drivers-y     := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(drivers-y))
net-y         := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(net-y))

这样便知道这三个变量的值应该为：

init-y    = init/built-in.o
drivers-y = drivers/built-in.o sound/built-in.o firmware/built-in.o
net-y     = net/built-in.o

3.3 、 libs-y

其过程和 init-y 也一样

libs-y其实为如下：

libs-y := lib/lib.a arch/arm/lib/lib.a lib/built-in.o arch/arm/lib/built-in.o

3.4、 core-y

core-y 和 init-y 也一样，在顶层 Makefile 中有如下代码：

core-y    := usr/
......
core-y    += kernel/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ block/

但是在 arch/arm/Makefile 中会对 core-y 进行追加，代码如下：

core-$(CONFIG_FPE_NWFPE)    += arch/arm/nwfpe/
core-$(CONFIG_FPE_FASTFPE)  += $(FASTFPE_OBJ)
core-$(CONFIG_VFP)          += arch/arm/vfp/
core-$(CONFIG_XEN)          += arch/arm/xen/

core-$(CONFIG_KVM_ARM_HOST) += arch/arm/kvm/
core-$(CONFIG_VDSO)         += arch/arm/vdso/

# 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                      += arch/arm/probes/
core-y                      += arch/arm/net/
core-y                      += arch/arm/crypto/
core-y                      += arch/arm/firmware/
core-y                      += $(machdirs) $(platdirs)

最后那几行就是被追加的值

在顶层 Makefile 中有如下一行：

core-y    := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(core-y))

经过上述代码的转换，最终 core-y 的值为：

core-y = usr/built-in.o \
	arch/arm/vdso/built-in.o \
	arch/arm/mm/built-in.o \
	arch/arm/probes/built-in.o \
	arch/arm/crypto/built-in.o \
	arch/arm/mach-imx/built-in.o \
	mm/built-in.o \
	ipc/built-in.o \
	crypto/built-in.o \
	arch/arm/vfp/built-in.o \
	arch/arm/kernel/built-in.o \
	arch/arm/common/built-in.o \
	arch/arm/net/built-in.o \
	arch/arm/firmware/built-in.o \
	kernel/built-in.o \
	fs/built-in.o \
	security/built-in.o \
	block/built-in.o

这些变量都是将相应目录中的源码文件进行编译，然后在各自目录下生成 built-in.o 文件，有些生成了.a 库文件。最终将这些 built-in.o 和.a 文件进行链接即可形成 ELF 格式的可执行文件，也就是 vmlinux。

链接脚本为 arch/arm/kernel/vmlinux.lds， 链接过程是由shell脚本scripts/link-vmlinux.s来完成的。

各自目录下生成 built-in.o 文件，有些生成了.a 库文件，这些又是怎么编译出来的？

四、built-in.o 文件编译生成过程

由前几小节可知vmliux 依赖 vmlinux-deps，而 vmlinux-deps=

(KBUILD_LDS) (KBUILD_VMLINUX_INIT) $(KBUILD_VMLINUX_MAIN)

KBUILD_LDS 是链接脚本

剩下的 KBUILD_VMLINUX_INIT 和 KBUILD_VMLINUX_MAIN 就是各个子目录下的 built-in.o、.a 等文件。最终 vmlinux-deps 的值如下：

vmlinux-deps = arch/arm/kernel/vmlinux.lds \
	init/built-in.o \
	arch/arm/vfp/built-in.o \
	arch/arm/kernel/built-in.o \
	arch/arm/common/built-in.o \
	arch/arm/net/built-in.o \
	arch/arm/firmware/built-in.o \
	kernel/built-in.o \
	fs/built-in.o \
	security/built-in.o \
	block/built-in.o \
	lib/lib.a \
	lib/built-in.o \
	sound/built-in.o \
	net/built-in.o \
	arch/arm/kernel/head.o \
	usr/built-in.o \
	arch/arm/vdso/built-in.o \
	arch/arm/mm/built-in.o \
	arch/arm/probes/built-in.o \
	arch/arm/crypto/built-in.o \
	arch/arm/mach-imx/built-in.o \
	mm/built-in.o \
	ipc/built-in.o \
	crypto/built-in.o \
	arch/arm/lib/lib.a \
	arch/arm/lib/built-in.o \
	drivers/built-in.o \
	firmware/built-in.o

除了 arch/arm/kernel/vmlinux.lds 以外，其他都是要编译链接生成的

出vmlinux-deps 依赖 vmlinux-dirs，vmlinux-dirs此变量保存着生成 vmlinux 所需源码文件的目录，值如下：

vmlinux-dirs = init \
	usr \
	arch/arm/vfp \
	arch/arm/vdso \
	arch/arm/kernel \
	arch/arm/mm \
	arch/arm/common \
	arch/arm/probes \
	arch/arm/net \
	arch/arm/crypto \
	arch/arm/firmware \
	arch/arm/mach-imx \
	kernel \
	mm \
	fs \
	ipc \
	security \
	crypto \
	block \
	drivers \
	sound \
	firmware \
	net \
	arch/arm/lib \
	lib

顶层Makefile文件有以下代码：

$(vmlinux-dirs): prepare scripts
	$(Q)$(MAKE) $(build)=$@

build=-f ./scripts/Makefile.build obj

所以展开就是：

@ make -f ./scripts/Makefile.build obj=$@

$@表示目标文件，也就是 vmlinux-dirs 的值，将 vmlinux-dirs 中的这些目录全部带入到命

令中，结果如下：

@make -f ./scripts/Makefile.build obj=init
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=usr
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=arch/arm/vfp
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=arch/arm/vdso
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=arch/arm/kernel
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=arch/arm/mm
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=arch/arm/common
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=arch/arm/probes
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=arch/arm/net
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=arch/arm/crypto
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=arch/arm/firmware
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=arch/arm/mach-imx
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=kernel
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=mm
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=fs
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=ipc
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=security
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=crypto
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=block
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=drivers
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=sound
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=firmware
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=net
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=arch/arm/lib
@make -f ./scripts/Makefile.build obj=lib

五、 make zImage 过程

前面几小节重点是讲 vmlinux 是如何编译出来的，vmlinux 是 ELF 格式的文件，但是在实际中我们不会使用 vmlinux，而是使用 zImage 或 uImage 这样的 Linux 内核镜像文件。那么 vmlinux、zImage、uImage 他们之间有什么区别呢？

vmlinux 是编译出来的最原始的内核文件，如下图：

Image 是 Linux 内核镜像文件，Image 保存在 arch/arm/boot 目录下，如下图：

zImage 是经过 gzip 压缩后的 Image

uImage 是老版本 uboot 专用的镜像文件

使用"make"、"make all"、"make zImage"这些命令就可以编译出 zImage 镜像

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总结

对Linux 顶层 Makefile进行了详谈。