Linux内核源码分析--zImage出生实录（Linux-3.0 ARMv7）

sol229

    此文为两年前为好友刘庆敏的书《嵌入式Linux开发详解--基于AT91RM9200和Linux 2.6》中帮忙写的章节的重新整理。如有雷同，纯属必然。经作者同意，将我写的部分重新整理后放入blog中。
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     自己移植编译过内核的朋友都知道：生成的zImage内核的位置在arch/arm/boot目录下。但是这个映像是怎么产生的？下面简要地分析一下。



    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
  
• .globlinput_data
  
• input_data:
  
• .incbin"arch/arm/boot/compressed/piggy.gzip"
  
• .globlinput_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。