嵌入式Linux設(shè)計:內(nèi)核配置

配置是構(gòu)建內(nèi)核的第一步。有許多方法和各種選項(xiàng)可供選擇。內(nèi)核將在進(jìn)程結(jié)束時生成一個 .config 文件，并生成一系列符號鏈接和文件頭，系統(tǒng)其余部分將使用這些文件來完成配置。

Linux內(nèi)核是任何安裝的核心，無論是嵌入式還是桌面，它負(fù)責(zé)分配內(nèi)存、創(chuàng)建進(jìn)程、管理和調(diào)度數(shù)據(jù)，以及支持與其他系統(tǒng)交互所需的協(xié)議。Linux 桌面和服務(wù)器系統(tǒng)需要支持大量外圍設(shè)備，因?yàn)闊o法預(yù)測與每個操作系統(tǒng)相關(guān)的硬件。同樣，此類系統(tǒng)還必須支持廣泛的通信和數(shù)據(jù)交換協(xié)議，以便它們可以用于大量不同的目的。嵌入式設(shè)備通常需要支持一組特定的設(shè)備、外圍設(shè)備和協(xié)議，具體取決于給定設(shè)備中的硬件。

Linux 內(nèi)核在支持它的處理器和設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)方面是高度可配置的。嵌入式設(shè)備的特定架構(gòu)、處理器和硬件要求的配置是任何 Linux 項(xiàng)目的基礎(chǔ)。優(yōu)化內(nèi)核以支持特定硬件和協(xié)議，最大限度地減少其存儲大小和內(nèi)存需求，從而對性能產(chǎn)生積極影響。

內(nèi)核配置允許您選擇要包含在進(jìn)程中的各種選項(xiàng)。有些選項(xiàng)可用，有些則不可用，這取決于嵌入式架構(gòu)。無論硬件架構(gòu)如何，可用于分析然后包含在處理配置中的主要選項(xiàng)如下：

代碼成熟度級別選項(xiàng)
常規(guī)設(shè)置
支持可加載模塊
塊層
聯(lián)網(wǎng)
設(shè)備驅(qū)動程序
文件系統(tǒng)
內(nèi)核黑客
安全
文字學(xué)
庫例程

內(nèi)核可以包括各種安全選項(xiàng)，作為美國國家安全局 (NSA) 實(shí)施的 SELinux 堆棧的一部分。Security-Enhanced Linux (SELinux) 是一組選項(xiàng)，可應(yīng)用于 Linux 和 BSD 等類 Unix 操作系統(tǒng)；實(shí)際上，它是 Linux Kernel 的一個模塊，提供了一系列工具來實(shí)現(xiàn)安全協(xié)議。一個更重要的選項(xiàng)是您選擇最適合目標(biāo)的處理器架構(gòu)的確切實(shí)例。名稱根據(jù)其架構(gòu)而有所不同。在表 1 中有一個內(nèi)核選項(xiàng)和體系結(jié)構(gòu)的列表，這些選項(xiàng)和體系結(jié)構(gòu)根據(jù)通過使用 Makefile 內(nèi)核識別的體系結(jié)構(gòu)名稱設(shè)置變量“ARCH”而正確選擇的處理器。

可以使用的前端配置很多，主要參考2.6及以后的內(nèi)核：

構(gòu)建目標(biāo)文件以渲染內(nèi)核映像：選擇組件后，構(gòu)建內(nèi)核需要以下步驟：
生成依賴頭文件信息（哪個.c文件依賴哪個.h文件）。對于 2.6 及更高版本的內(nèi)核，這不是必需的。
使用 make clean 命令，清理除配置信息外的所有目標(biāo)文件、內(nèi)核映像和所有中間文件。
創(chuàng)建內(nèi)核映像。內(nèi)核映像的名稱是 vmlinux。然而，編譯內(nèi)核并不止于此。通常需要進(jìn)行一些后處理，例如壓縮、添加引導(dǎo)代碼等。實(shí)際上，后處理將創(chuàng)建稍后將在目標(biāo)中使用的圖像。
使用 make modules 命令構(gòu)建可動態(tài)加載的模塊。通常，在嵌入式系統(tǒng)上，構(gòu)建過程會進(jìn)一步定制，原因如下：在單獨(dú)的目錄中添加 BSP 并修改配置，以便 kbuild 可以構(gòu)建板所需的軟件組件；為構(gòu)建過程添加您自己的鏈接器、編譯器和匯編器；構(gòu)建內(nèi)核映像后自定義后處理；在 kbuild 中構(gòu)建協(xié)議以進(jìn)行系統(tǒng)范圍的構(gòu)建。

使用內(nèi)核

Linux 內(nèi)核可以通過以下兩種方式之一使用外圍驅(qū)動程序：編譯到內(nèi)核中或按需動態(tài)加載。可加載內(nèi)核模塊 (LKM) 被編譯為目標(biāo)文件，隨后被編譯為與特定內(nèi)核一起工作，以便動態(tài)加載以響應(yīng)新的硬件要求。

可加載內(nèi)核模塊（或 LKM）是一個目標(biāo)文件，其中包含擴(kuò)展正在運(yùn)行的內(nèi)核的代碼；它通常用于添加對新硬件和/或文件系統(tǒng)的支持，或添加系統(tǒng)調(diào)用。

LKM 作為文件存儲在內(nèi)核之外，存儲在物理文件系統(tǒng)或內(nèi)核可以訪問的內(nèi)存中。

雖然內(nèi)核模塊的動態(tài)加載確實(shí)有一些開銷，但該開銷的成本被 LKM 在開發(fā)和部署期間提供的靈活性所抵消。因此，內(nèi)核和相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序配置主要是區(qū)分強(qiáng)制設(shè)備和按需協(xié)議的問題。在 Linux 桌面或服務(wù)器系統(tǒng)上，對 PATA 或 SATA 硬盤驅(qū)動器等日常設(shè)備的支持通常編譯到內(nèi)核中，因?yàn)檫@些設(shè)備存在于大多數(shù)計算機(jī)系統(tǒng)中。作為一般規(guī)則，引導(dǎo)系統(tǒng)所需的硬件外圍驅(qū)動程序通常內(nèi)置在 Linux 內(nèi)核中，以便它們可以自動可用。一旦系統(tǒng)啟動，Linux 就可以訪問內(nèi)存或文件系統(tǒng)，并可以通過 LKM 加載幾乎任何其他硬件的驅(qū)動程序。

Linux 內(nèi)核使用稱為 kconfig 的集成機(jī)制進(jìn)行配置，該機(jī)制通過自動滿足不同驅(qū)動程序之間的依賴關(guān)系來簡化架構(gòu)、處理器和設(shè)備驅(qū)動程序的選擇。Timesys Desktop 提供內(nèi)置的 kconfig 支持，還將其擴(kuò)展為 Linux 嵌入式開發(fā)項(xiàng)目其他部分的簡單配置機(jī)制，例如操作系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)和應(yīng)用程序選擇和支持。

現(xiàn)代 Linux 系統(tǒng)不是通過預(yù)先創(chuàng)建（和保留）每個可能的設(shè)備節(jié)點(diǎn)來浪費(fèi)空間，而是支持一種按需創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的機(jī)制，稱為 udev。當(dāng)檢測到新硬件時，該守護(hù)進(jìn)程創(chuàng)建強(qiáng)制設(shè)備節(jié)點(diǎn)來運(yùn)行適用于檢測到的特定硬件或設(shè)備類別的一個或多個規(guī)則。

動態(tài)創(chuàng)建設(shè)備的完整性取決于Linux系統(tǒng)初始化和識別硬件的順序，這可能并不總是以相同的順序發(fā)生。如果不考慮，這可能會導(dǎo)致以太網(wǎng)接口以不同的順序命名。這將使系統(tǒng)難以配置以不同方式管理設(shè)備或?qū)⑺鼈冇糜谔囟康摹?/font>為了消除此類問題，在靜態(tài)和動態(tài)設(shè)備創(chuàng)建之間提供正確的折衷方案，udev 守護(hù)程序會為某些類別的檢測到的設(shè)備創(chuàng)建更新并保存一組規(guī)則。當(dāng) Linux 系統(tǒng)重新啟動時，這些規(guī)則與任何其他 udev 規(guī)則一樣用于響應(yīng)硬件檢測。但是，由于它們還包含特定的命名分配，因此每次系統(tǒng)重新啟動后設(shè)備映射都是相同的。

對于僅訪問一組特定設(shè)備的嵌入式設(shè)備，為硬件預(yù)先創(chuàng)建靜態(tài)節(jié)點(diǎn)消除了運(yùn)行 udev 的需要，從而減少了內(nèi)存和存儲需求。另一方面，在設(shè)計用于與不一定預(yù)期的外圍設(shè)備一起使用的嵌入式設(shè)備中，例如 USB 設(shè)備，udev 機(jī)制提供了默認(rèn)系統(tǒng)最初所需的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

交叉編譯準(zhǔn)備：“ARCH”和“CROSS_COMPILE”

內(nèi)核對架構(gòu)的選擇是通過兩個變量進(jìn)行的。變量是“ARCH”和“CROSS_COMPILE”，默認(rèn)值顯示在存儲在源根目錄中的 Makefile 中（圖 2）。變量 'ARCH' 以特定內(nèi)核格式指示目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)的名稱：i386（arch / 子目錄將給出不同體系結(jié)構(gòu)的概念）。'CROSS_COMPILE' 變量是不言自明的，用工具鏈前綴增強(qiáng)：也就是說，如果我們考慮 x86_64-pc-linux-gnu-gcc，那么寫 x86_64-pc-linux-gnu 就足夠了。/lib 庫目錄是根據(jù)附加變量“INSTALL_MOD_PATH”創(chuàng)建的，其中還存儲了每個所需模塊在編譯時所需的所有模塊。系統(tǒng)的準(zhǔn)備以兩種方式進(jìn)行：通過修改 Makefile 或通過從命令行評估變量。也可以通過腳本 (xmake) 設(shè)置命令并在內(nèi)核編譯期間運(yùn)行它們（圖 3）。

圖 3：xmake 代碼

配置方法

Linux 內(nèi)核構(gòu)建系統(tǒng) (kbuild) 包括對多種配置方法的支持，例如：

make config，它提供了一個命令行界面，提示您設(shè)置每個選項(xiàng)。如果配置配置文件已經(jīng)存在，則該文件用于設(shè)置默認(rèn)值。

make oldconfig，具有現(xiàn)有文件的配置，僅用于先前未配置的選項(xiàng)。這與 make config 形成對比，后者需要所有選項(xiàng)，甚至是以前配置的選項(xiàng)。開發(fā)人員經(jīng)常使用此選項(xiàng)來更新他們的配置，而無需重新配置整個內(nèi)核。

make menuconfig（圖 4）：在終端上顯示配置菜單。如果存在 .config 文件，則它用于設(shè)置默認(rèn)值，例如 make config。

圖 4：在 xterm 上運(yùn)行的 menuconfig 示例

圖 5：xconfig 菜單示例

make xconfig（圖 5），它顯示基于 Tk 的 X Window 配置菜單（Tk 工具包是用于在 X Window 系統(tǒng)下構(gòu)建 GUI 的編程環(huán)境）。如果存在 .config 文件，則它用于設(shè)置默認(rèn)值，就像 make config 和 menuconfig 一樣。

這些中的每一個都可用于配置內(nèi)核。它們都在根內(nèi)核源目錄中生成一個 .config 文件（該文件包含所選選項(xiàng)的完整詳細(xì)信息）。

很少有開發(fā)人員真正使用 makeconfig 命令來配置內(nèi)核。相反，大多數(shù)使用 make menuconfig 創(chuàng)建初始配置或修改現(xiàn)有配置。要查看內(nèi)核配置菜單，您必須在命令行中鍵入適當(dāng)?shù)拿畈⑹褂谜_的參數(shù)。例如，要編譯用于集成 ARM 系統(tǒng)的 Linux 內(nèi)核，可以使用以下命令行： $ Make ARCH = arm CROSS_COMPILE = arm-linux-menuconfig。

配置內(nèi)核后，內(nèi)核配置系統(tǒng)會要求您保存新配置。除了創(chuàng)建 .config 文件之外，還會創(chuàng)建一些頭文件和符號鏈接。也可以在不進(jìn)行任何更改的情況下退出內(nèi)核配置。

除了主要的配置選項(xiàng)外，內(nèi)核架構(gòu)支持通常包括用于某些目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)模型配置。對于標(biāo)準(zhǔn) ARM 處理器尤其如此。在這些情況下，內(nèi)核提供的默認(rèn)值將用于生成 .config 文件。

通常需要測試使用相同內(nèi)核源的不同配置。但是，更改內(nèi)核配置會破壞以前的配置，因?yàn)樗信渲梦募急粌?nèi)核配置實(shí)用程序覆蓋。要保存配置以供將來使用，您需要保存以前創(chuàng)建的 .config 文件。然后可以重用這些文件來恢復(fù)以前的內(nèi)核配置。

您還可以輕松地保存 .config 文件，即將內(nèi)核配置實(shí)用程序創(chuàng)建的配置文件復(fù)制到備用位置以供將來使用。要使用已保存的配置，您需要將之前保存的 .config 文件復(fù)制回內(nèi)核根目錄，然后使用 Makefile oldconfig 命令使用新復(fù)制的 .config 文件配置內(nèi)核。

與內(nèi)核一樣，應(yīng)用程序也必須使用開發(fā)工具來構(gòu)建。大多數(shù)開源程序都遵循 GNU 編譯標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是幾個工具的集合，下面列出了其中最重要的工具。

– autoconf：提供一個通用的可移植性框架，基于編譯時主機(jī)系統(tǒng)特性的測試。

– automake：允許開發(fā)人員編寫簡化的 Makefile。

– libtool：創(chuàng)建共享庫的標(biāo)準(zhǔn)化方法

測試內(nèi)核

一般來說，有很多方法可以測試 Linux 內(nèi)核：

帶有內(nèi)核的試用版。
通過在新內(nèi)核上將測試套件作為 LTP 運(yùn)行。
通過使用新安裝的內(nèi)核測量系統(tǒng)性能。

第一個測試階段包括使用 init = / bin / bash 在功能齊全的配置中引導(dǎo)系統(tǒng)。從那里，您可以檢查文件系統(tǒng)是否正確掛載和卸載，并且可以嘗試一些更復(fù)雜的內(nèi)核功能，例如以最小配置掛起到磁盤或 RAM。接下來，您可以將系統(tǒng)引導(dǎo)到運(yùn)行級別 3（通常，將數(shù)字 2 作為參數(shù)傳遞給內(nèi)核）。在此配置中，您可以檢查網(wǎng)絡(luò)接口，您可以嘗試手動運(yùn)行 X 服務(wù)器以確保它不會崩潰。在下一個測試階段，您可以使用旨在通過回歸和性能測試驗(yàn)證內(nèi)核功能的特殊程序。后者對于內(nèi)核開發(fā)人員來說尤其重要，因?yàn)樗鼈冇兄谧R別由于更新引起的變化。

對于自動化內(nèi)核測試，您可以使用 AutoTest 套件，其中包括許多測試應(yīng)用程序和工具，并結(jié)合了簡單的用戶界面。上面看到的運(yùn)行級別是一個典型的 UNIX 系統(tǒng)概念，代表機(jī)器的活動狀態(tài)。每個運(yùn)行級別由一個數(shù)字標(biāo)識：

運(yùn)行級別 0：停止系統(tǒng)。
運(yùn)行級別 1（單用戶模式）：用于維護(hù)活動。
運(yùn)行級別 2（多用戶模式）：啟用網(wǎng)絡(luò)但沒有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
運(yùn)行級別 3（多用戶模式）：啟用所有網(wǎng)絡(luò)功能，并激活所有相關(guān)服務(wù)。
Runlevel 4：一般不使用；
運(yùn)行級別 5：類似于運(yùn)行級別 3 加上啟用的圖形服務(wù)器；
運(yùn)行級別 6：用于系統(tǒng)重啟。

文件系統(tǒng)

Linux 內(nèi)核在系統(tǒng)引導(dǎo)期間所做的最后一件事是掛載根文件系統(tǒng)。Linux 內(nèi)核沒有規(guī)定文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但用戶空間應(yīng)用程序希望在目錄結(jié)構(gòu)中找到具有特定名稱的文件。

配置內(nèi)核的下一步是創(chuàng)建根文件系統(tǒng)（圖 6）。可以使用兩種主要技術(shù)：initrd / initramfs 和使用 NFS 通過網(wǎng)絡(luò)安裝根預(yù)文件系統(tǒng)。Initrd（ini??tial ramdisk），從內(nèi)核 2.6 版開始在 Linux 中引入，是一個小型臨時文件系統(tǒng)，在引導(dǎo)過程的初始階段充當(dāng)安裝在內(nèi)存中的根文件系統(tǒng)，可通過引導(dǎo)加載程序訪問內(nèi)核.

圖 6：Linux 文件系統(tǒng)

?　審核編輯：湯梓紅

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