内核编译与移植

Posted 2021-03-11 fxzq

在嵌入式Linux系统中，内核移植非常关键，没有Linux内核一切都是空谈，下面我们就来讨论一下Linux内核在S3C2416上的移植。
首先，Linux是开源软件，其内核源代码可以直接到网站https://www.kernel.org/上下载。但Linux内核的版本非常之多，而且各个版本之间都存在有很多差异，那下载哪一个版本好呢？其实这个问题很难有统一的答案，但作为嵌入式系统开发本身来说，坚持两个原则是没错的：一是够用就好，不要去追求“高大尚”；二是能够维护好一套内核就行，不要一昧的去追新。如果你已经有了一套维护好的成熟内核，那就一直用它吧，除非万不得已不要更换，否则带来的工作量将是巨大的，花时间去研究不说，关键是可能新内核还没有你原来的稳定，再有就是内核变了可能你原来的驱动全部都要重写，无异于全部重新学习，想想都怕。嵌入式系统一般是定制于某项应用功能的（手机除外^_^），所以没有必要去追求新版本，因为无论内核如何变换，其实现的应用功能是不变的。
那么做为初学者应该如何选取内核呢？其实，针对初学者建议直接使用官方提供的BSP（板级支持包），在购买嵌入式开发板的时候，厂家都会配套为你提供已经移植好的内核，以方便使用。然而，在很多爱好者学习了一段时间的嵌入式系统之后，或者在学校嵌入式系统开发的课程中，往往会想要自己动手去移植一个内核，那么这里给出两种方法提供借鉴：一是使用一个完全与你的BSP一样版本的内核源码来实验（比如都是Linux-2.6.39.4）；二是使用更新的版本来实验。推荐先做第一种，在成功之后可尝试着做第二种。
对于第一种方法，其实就是依葫芦画瓢，很快就能上手了。
首先下载内核源码（这里假设BSP提供的源码版本为Linux-2.6.39.4，所以下载的内核源码文件为linux-2.6.39.4.tar.bz2 ），完成后将文件拷贝到虚拟机中，然后把它解压到根目录下，执行命令“tar -jxvf linux-2.6.39.4.tar.bz2 -C /”，完成后到根目录下确认一下，然后把目录名称更改一下，执行“mv linux-2.6.39.4 linux-2.6.39.4.raw”，这样做的目的主要是为了后面好区分下载的源码与BSP的源码。完成后以同样的方式把BSP提供的内核源码也解压到根目录，目录名称就为linux-2.6.39.4。
接下来要找出BSP的源码更改了哪些地方，在根目录下执行命令“diff -r linux-2.6.39.4.raw linux-2.6.39.4 > diff”，该命令执行会需要一些时间，完成后在根目录下会生成一个文本文件diff，查看该文件就可看到两个目录文件的区别，它不仅能告诉你多了哪些文件，还会告诉你哪些文件的内容被更改过，改成了什么内容等等。
接下来根据diff文件显示的不同，把它们一一找出来。在diff文件（建议打印出来看）中，以Only开头的那行是指明该文件只在该目录下存在（即BSP中新加入的文件，源码中没有），以diff开头的那行是指明哪个文件有区别，其区别写在该行以下，其中，以“<”符号开头的说明该句只在linux-2.6.39.4.raw目录下的文件中存在，同理，以“>”符号开头的说明该句只在linux-2.6.39.4目录下的文件中存在。（其实“<”代表命令“diff -r linux-2.6.39.4.raw linux-2.6.39.4 > diff中要比较的左边的那个目录，即linux-2.6.39.4.raw目录，“>”则代表右边的那个目录，即linux-2.6.39.4目录。）其中还会有些诸如“26c27、102a103”等之类的提示，前面的数字表示行号，c表示清除，a表示追加等等，要详细了解可查一查diff命令，这里就不赘述了。
找出区别后就好办了，接下来你就可以按照区别来改，先把BSP中新增的文件拷贝到源码中相同目录下，再把有区别的文件进行替换操作（当然你也可以自己对照着来修改源文件），完成之后还要记得利用BSP中的配置文件进行系统配置，这有两种方法，一是直接拷贝linux-2.6.39.4目录下的配置文件过来（如果有的话），二是先在linux-2.6.39.4目录下执行内核配置命令，以生成“.config”文件(当然如果有“.config”文件就省事了)，然后把该拷贝到linux-2.6.39.4.raw目录下就可以了。具体的配置将会在后面第二种方法中再作详细讨论。
最后执行内核编译命令“make zImage”或“make -j4 zImage”（仅当电脑是四核且虚拟机也配置为四核时），如果一切顺利，编译结束后就可以得到内核映像文件zImage了（默认在arch/arm/boot目录下），把该内核下载到开发板中，就能够启动开发板了。虽然是与原BSP内核一样的版本，但毕竟是自己做出来的第一个可用内核，这样做可以提高学习效率，增加成就感，减小挫折。先跑起来，其后再慢慢来分析修改部分的内容，进一步了解其原理，不失为一种快速入门的办法。
对于第二种方法，实际上是从零开始移植内核，这就需要从头说起，这种方法不太适合初学者。
这里以Linux-3.0.99为例进行讨论，这个版本其实是2.6.XX的最后一个版本，3.1.XX以后的版本与它们的差别就太大了，不仅引入了DTS（设备树）的概念，而且很多以前的API函数都发生了变化，甚至有的函数已经没有了。所以，在此处选用市场上已大量使用过的2.6.XX内核的最后一个版本3.0.99，也算作是个纪念吧。嵌入式开发板仍然以杭州硕数公司的S3C2416核心板为例进行移植实验。
在移植Linux之前有必要先讨论一下所用的开发板。在Linux内核源码中，不仅提供了对CPU架构的支持，还专门针对一些开发板提供了板级的支持，这种Linux板级支持的开发板，会由相应的CPU产商提供了一个基本的Demo，即提供一个“公板”，其它开发板供应商则是在这个公板的基础上进行适当的修改，以形成有自己特色的开发板。当然，有的做的比较有名的开发板，也会被Linux组织收录进板级支持（比如国内知名的mini2440）。这些板级支持的目录一般位于内核目录的arch/arm/configs目录下，因为该目录是内核的板级配置目录，所以文件名都以“XXXX_defconfig”的形式呈现（比如mini2440_defconfig）。但如果你使用的开发板没有板级支持，那么也可以使用“公板”的配置文件“s3c2410_defconfig”来进行修改。我们接下来就是以这个基本的配置文件来配置硕数公司的S3C2416核心板的。
与第一种方法一样，把从网上下下来的内核文件linux-3.0.99.tar.bz2拷贝到虚拟机中，并解压到根目录下，然后执行“cd /linux-3.0.99”进入该目录。由于编译的是arm架构的内核，所以先要改更交叉编译条件，执行“vim Makefile”打开顶层的Makefile文件，然后输入一个冒号进入底行模式，在冒号后面输入“/CROSS_COMPILE”（不包含双引号，后同），回车后就找到形如“CORSS_COMPILE ？= $（CONFIG_CROSS_COMPILE:”%”=%）”的这样一句所在的位置，把它改为“CORSS_COMPILE ？= arm-linux-”（注：-后不能有空格），并把紧跟着它的上一句也改成“ARCH ？= arm”。然后存盘退出，这样交叉编译条件就改好了。
接下来进行内核配置，在源码的根目录下先执行命令“make s3c2410_defconfig”，完成后再执行菜单配置命令“make menuconfig”，过一会儿后会出现一个文本模式下的菜单，如下图所示。

 

在上图的对话框中，可利用键盘的上下光标键移动选择条，“Y”键勾选，“N”键取消，"M"键设置为模块，空格键翻转，回车键进入下一级设置，Tab键在项目间跳转，左右光标键选择按钮。
作为一个基础的配置，你也可以不更改任何内容，直接选择“Exit”按钮退出配置程序。在退出时会询问你是否把配置保存成“.config”文件，直接选“yes”即可。
配置完成后，执行内核编译命令，先执行“make clean”命令清理一下内核，然后输入“make zImage”并回车（也可用多线程模式）开始编译工作。编译的时间较长，一般需要二十分钟左右，如果中途没有出错的话，则编译完成后会在源码的“arch/arm/boot”目录下生成一个zImage映像文件。假如在这步就出错的话，那么很不幸，不仅得不到zImage文件，你还得根据出错的提示去解决问题。在编译内核时出错是件非常令人心烦的事情，不仅因为编译一次需要的时间较长，更麻烦的是出错的情况五花八门，特别对于初学者来说，你可能都不知道怎么去改。所以内核移植不当是技术活，更多的时候是取决于经验。
回到正题，如果编译内核出错了，由于我们使用的是默认配置，且什么文件都还没改，所以出错的问题不会太大，无非有下面几种可能：1.内核没有“.config”配置文件；2.没有在内核源码根目录（即源码的最顶层目录）下执行编译；3.没有Makefile文件提供编译规则；4.没有指定交叉编译工具；5.交叉编译工具链的版本与内核版本不匹配；6.交叉编译工具链配置不正确。只要细心对照以上几条进行检查，总是可以排除问题，编译成功的。
内核编译好后，把zImage文件下载到开发板上（推荐使用NFS方式下载到地址为32000000的地方），然后启动内核（在Bootloader下执行bootm命令），正常来说应该可以启动Linux系统了，但最终会停止在如下的界面上。

这是因为内核还没有集成NandFlash的驱动，没有具体的分区以及没有文件系统读写支持所至，所以进入不了命令行（console端口）是正常的，但至少内核在S3C2416芯片上启动起来了，这也是值得高兴的。解决驱动、分区及文件系统支持的事我们后面再详细讨论，这里先来看一下，假如内核并没有在开发板上跑起来，而是停在了如下图所示的地方，是什么原因又如何解决呢？

这个问题有可能会很常见，虽然产生的具体原因可能很多，但从现象上来看，应该是和Bootloader与内核之间传递的信息不正确有关。所以，解决此问题应从两方面来考虑，一是内核配置的问题，但我们仅使用了默认配置，应该与此无关；二是Bootloader传递过来的参数与内核某些参数不匹配。
现在重点来看第二种情况。在Bootloader加载内核之前，会给内核传递一些参数，以通知内核从哪里启动，如何启动等等信息。在传递的参数中，有一项叫做“MACH_TYPE”，它用于确定要启动哪类目标平台，如果该值与内核的不匹配，就会造成内核不能启动。这种情况要修改内核文件“arch/arm/mach-s3c2416/mach-smdk2416.c”，打开该文件，找到MACHINE_START(SMDK2416, "SMDK2416")函数，该函数其中的第一个参数SMDK2416即为“MACH_TYPE”，它要与Bootloader中的一致，该名称在U-boot中的定义位于U-boot源码文件“include/asm-arm/mach-types.h”中。由于硕数公司的S3C2416核心板上的U-boot中所传递过来的名称即为SMDK2416，所以此处不用更改就能启动。另外，刚才讨论的MACHINE_START(SMDK2416, "SMDK2416")中，第二个参数用于对内核的描述，一般厂商会把这些字符串换成自己的品牌名称，比如MINI2440的开发板就换成了“FriendlyARM Mini2440 development board”。这些信息在内核启动完成后，可通过执行命令“cat /proc/cpuinfo”来查看。
此外还有一种情况是内核可以启动，但显示乱码，这种现象也较为见。从现象分析，串口终端显示乱码，肯定与波特率设置不当有关。如果Bootloader显示正常，内核启动时显示乱码，则是内核的晶振时钟设置不对，同样打开上述“mach-smdk2416.c”文件，找到static void __init smdk2416_map_io(void)函数，并找到其中的s3c24xx_init_clocks(12000000);一句，把晶振频率改了与你的开发板一致，默认为12000000（即12MHz）。完成后重新编译内核，再下载到开发板就能正常显示启动过程了。硕数公司的S3C2416核心板的晶振就是12MHz，所以此处不用修改。