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Day61 Linux内核编译、裁剪与驱动开发基础

news 2025/10/14 10:26:17

day61 Linux内核编译、裁剪与驱动开发基础

一、Linux内核源码获取与环境准备

1.1 获取内核源码

来源：本课程使用的内核源码为 linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek.tar.gz，由讲师提供。
官方下载：若需自行从官网获取，可访问 https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/。该页面列出了所有6.x系列的稳定版本（如 linux-6.15.tar.xz）及对应的变更日志（ChangeLog-6.15）和补丁包（patch-6.15.xz）。用户可根据需求选择特定版本下载。

1.2 解压源码包

将源码包拷贝至Ubuntu虚拟机中任意目录后，执行解压命令。建议使用 sudo 权限以避免因权限不足导致解压失败。

# 将源码包解压到当前目录
sudo tar -xvf linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek.tar.gz# （可选）递归修改解压后目录的权限，确保后续操作无阻碍
sudo chmod 0777 linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek -R

1.3 配置虚拟机网络

为确保后续能顺利安装编译依赖库，需配置虚拟机网络连接。

# 1. 设置虚拟机网络适配器为 NAT 模式
#    虚拟机 -> 设置 -> 网络适配器 -> 网络连接: NAT# 2. 配置虚拟网络编辑器 (VMNET0)
#    编辑 -> 虚拟网络编辑器 -> VMNET0 桥接到你的物理网卡 (如 wifi)# 3. 修改 Ubuntu 的网络配置文件
sudo vim /etc/network/interfaces
# 在文件末尾添加或修改以下内容，启用 ens33 网卡并设置为 DHCP 动态获取 IP
auto ens33
iface ens33 inet dhcp# 4. 重启网络服务使配置生效
sudo /etc/init.d/networking restart# 5. 安装编译内核所需的必要库 (用于 make menuconfig 图形界面)
sudo apt-get install libncurses5
sudo apt-get install libncurses5-dev

二、Linux内核源码结构概览

解压后的内核源码是一个庞大的工程，其核心目录结构如下：

arch/: 架构相关代码。这是内核支持不同CPU架构的核心。例如：
- arm/: ARM架构。
- arm64/: ARM 64位架构。
- x86/: x86架构。
- mips/, powerpc/, sparc/ 等。
- 关键路径: arch/arm/mach-imx/ 包含了针对i.MX系列处理器（如i.MX6ULL）的特定代码，例如 imx6ull_low_power_idle.S。
drivers/: 设备驱动程序。包含所有硬件设备的驱动代码，是内核与硬件交互的关键。我们后续开发的字符设备驱动将放在此目录下。
fs/: 文件系统。包含了各种文件系统（如ext4, vfat, nfs等）的实现。
include/: 头文件。定义了内核内部使用的数据结构、函数原型等。
init/: 初始化代码。负责内核启动时的初始化工作。
ipc/: 进程间通信 (IPC) 相关代码。
kernel/: 内核核心代码。包含了进程调度、内存管理、系统调用等最核心的功能。
mm/: 内存管理。负责物理内存和虚拟内存的分配与管理。
net/: 网络子系统。实现了TCP/IP协议栈等网络功能。
scripts/: 脚本工具。包含编译、配置等辅助脚本。
Documentation/: 文档。提供了关于内核各部分的说明。
Makefile: 根目录下的 Makefile，用于控制整个内核的编译流程。

三、内核编译原理：条件编译与配置系统

内核之所以庞大，是因为它需要支持海量的硬件和功能。在实际应用中，我们只需要其中一小部分。因此，内核引入了强大的条件编译机制，通过配置来决定哪些代码被编译进最终的镜像。

3.1 条件编译的基础概念

内核使用 Makefile 和 Kconfig 文件配合 .config 配置文件来实现条件编译。

CONFIG_* 变量: 这些变量定义了某个功能是否启用。值通常为 y (编译进内核) 或 n (不编译)。
obj-y += file.o: 表示将 file.o 对象文件编译进内核。
obj-n += file.o: 表示不编译 file.o。
obj-$(CONFIG_X) += file.o: 这是最常用的形式。它表示只有当 CONFIG_X=y 时，才将 file.o 编译进内核；如果 CONFIG_X=n，则不编译。

示例:

# 假设 .config 中有 CONFIG_FUN1=y, CONFIG_FUN2=n
CONFIG_FUN1 = y
CONFIG_FUN2 = n# 在 Makefile 中
obj-$(CONFIG_FUN1) += fun1.o # fun1.o 会被编译进内核
obj-$(CONFIG_FUN2) += fun2.o # fun2.o 不会被编译进内核

3.2 配置系统 (`Kconfig` + `make menuconfig`)

直接编辑 .config 文件非常困难，因为它包含成千上万个选项。内核提供了一个图形化配置工具 make menuconfig，它读取 Kconfig 文件来构建菜单。

Kconfig: 定义了 make menuconfig 中显示的每一个菜单项。它指定了选项的名称、类型（布尔型 bool、三态型 tristate）、默认值、帮助信息以及依赖关系。
make menuconfig: 运行此命令会启动一个基于文本的图形界面，允许用户通过键盘导航和选择来配置内核。用户的配置结果会保存到 .config 文件中。
.config: 保存最终的配置选项。Makefile 会读取此文件中的变量来决定编译哪些文件。

示例:

# drivers/char/Kconfig 中的一个示例
config DEMObool "This is a demo"default yhelpThis is a demo, have use!

运行 make menuconfig 后，用户可以在 Device Drivers -> Character devices 菜单下找到名为 “This is a demo” 的选项，并选择 Y 或 N。

四、标准内核编译步骤

按照以下步骤，可以成功编译出一个适用于目标平台的内核镜像。

4.1 步骤一：设置交叉编译工具链和架构

编辑内核源码顶层目录下的 Makefile，指定目标架构和交叉编译器前缀。

# 在 Makefile 第 252 行附近，修改或确认以下两行
ARCH        ?= arm                   # 指定目标架构为 arm
CROSS_COMPILE   ?= arm-linux-gnueabihf- # 指定交叉编译器前缀

4.2 步骤二：拷贝默认配置文件

内核源码中已经为特定板卡提供了默认配置文件，位于 arch/arm/configs/ 目录下。将其拷贝到源码根目录并重命名为 .config。

cp arch/arm/configs/imx_alientek_emmc_defconfig .config

4.3 步骤三：进行内核配置（裁剪）

运行 make menuconfig，根据项目需求对内核进行裁剪。例如，可以禁用不需要的驱动、文件系统等，以减小内核体积。

make menuconfig

4.4 步骤四：编译内核

执行编译命令。-j10 表示使用10个线程并行编译，可显著加快编译速度。

make all -j10

理想输出结果:
编译完成后，会在 arch/arm/boot/ 目录下生成最终的内核镜像文件 zImage。

...
Kernel: arch/arm/boot/zImage is ready

五、向内核添加新文件（驱动开发入门）

本节演示如何向内核的 drivers/char/ 目录下添加一个新的字符设备驱动文件 demo.c。

5.1 步骤一：创建源文件

在 drivers/char/ 目录下创建并编辑 demo.c 文件。

// drivers/char/demo.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>static int __init demo_init(void)
{printk("###########################################   demo_init!\n");return 0;
}static void __exit demo_exit(void)
{printk("###########################################   demo_exit!\n");
}module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

5.2 步骤二：修改同级目录的 `Makefile`

在 drivers/char/ 目录下的 Makefile 中，添加一行，告诉编译系统当 CONFIG_DEMO 为 y 时，编译 demo.c。

# 在 drivers/char/Makefile 中添加以下行
obj-$(CONFIG_DEMO) += demo.o

5.3 步骤三：修改同级目录的 `Kconfig`

在 drivers/char/ 目录下的 Kconfig 文件中，添加一个新的配置选项，以便在 make menuconfig 中能够找到并选择它。

# 在 drivers/char/Kconfig 中添加以下内容
config DEMObool "This is a demo"default yhelpThis is a demo, have use!

5.4 步骤四：配置并编译

运行 make menuconfig，导航到 Device Drivers -> Character devices，找到 “This is a demo” 选项，按空格键或 Y 键将其选中。
退出并保存配置。
执行 make zImage 重新编译内核。

验证方法:
将编译好的 zImage 拷贝到TFTP服务器目录，然后重启开发板。在串口终端的启动日志中，如果能看到如下打印信息，则证明 demo.c 已被成功编译并加载：

###########################################   demo_init!

六、内核镜像格式详解

编译生成的内核镜像有多种格式，它们之间存在层级关系：

Image: 这是未经压缩的原始内核映像，可以直接被引导程序加载运行。
zImage: 这是由一段解压程序 + Image 的压缩包组成。它的体积比 Image 小，适合在网络传输或存储空间有限的情况下使用。引导程序会先运行解压程序，将 Image 解压到内存中，然后再跳转到 Image 的入口地址开始执行。
uImage: 这是在 zImage 前面加上一个64字节的头部信息（U-Boot Image Header）形成的。这个头部包含了镜像大小、加载地址、校验和等信息，主要用于 U-Boot 引导程序识别和加载。

常见错误:
在编译过程中，可能会遇到 lzop not found 的错误。这是因为内核在生成 zImage 时，默认使用 lzop 工具进行压缩。解决方法是安装 lzop 工具：