在之前的博文 Linux 之八 完整嵌入式 Linux 环境、（交叉）编译工具链、CPU 体系架构、嵌入式系统构建工具 中说了要一步步搭建整个嵌入式 Linux 运行环境，今天就开始编译 Linux Kernel。

源码

  文中涉及的源代码均放到了我个人的 Github 上：https://github.com/ZCShou/BOARD-STM32F769I-EVAL。这个仓库中包含了要搭建的完整嵌入式 Linux 环境的所有源代码，后续博文均以该仓库中的源码为基础来学习！

开发环境

  我这里使用的基本开发环境依旧是在之前博文中多次说明的 Ubuntu 22.04.1 LTS + Arm GNU Toolchain 11.3.Rel1，对应的 J-link 也依旧是 J-Link_Linux_V764e_x86_64.deb。该环境下需要注意的问题说明如下：

1. 由于 Ubuntu 22.04 LTS 默认是标配 OpenSSL 3.x，而旧版 U-Boot 使用的是 OpenSSL 1.x，所以，该环境编译旧版 U-Boot（从 commit e927e21c 开始添加了相关处理） 将出现一堆警告，因此，后续使用 u-boot-v2022.10 这个版本为主：
   
2. Arm GNU Toolchain 10.2-2022.02 存在 BUG，导致编译 U-Boot 报错，不要使用这个版本！
   
3. 新版（Arm GNU Toolchain 10.3 之后的版本）的 Arm GNU Toolchain 在 Linux 上 GDB 需要 Python3.8 支持。然而，Ubuntu 22.04 默认的 Python 是 3.10。直接运行 arm-none-eabi-gdb 报错如下：
   
   解决方法就是直接手动安装 Python3.8 即可。 旧版的 Arm GNU Toolchain 10.3 -2021.10 不需要 Python 支持

   sudo add-apt-repository ppa:deadsnakes/ppa -y
   sudo apt install python3.8
   

  还有一点，由于在之前在编译 U-Boot 时，我已经安装了大部分构建过程中需要的工具，因此，这里可能没有太多需要重新安装的工具了。如果出现错误，具体见博文 U-Boot 之一 零基础编译 U-Boot 过程详解、Image 镜像介绍及使用说明、DTB 文件使用说明 应该有解决方法。

运行环境

  我使用的嵌入式环境是 STM32F769I-EVAL 板子。STM32F769I-EVAL 板子使用的 STM32F769NI 这个 MCU，STM32F769NI 这款 MCU 采用的是 ARM Cortex-M7 的核心，指令集架构是 ARMv7m。此外，还需要注意，这个板子上的的串口的 RX 默认是断开，需要用短路帽连接起来。

  Kernel 本身没有提供对于 STM32F769I-EVAL 板子的支持，但是它支持的 STM32F769-Disco 板子。STM32F769-Disco 开发板与 STM32F769I-EVAL 评估板的 MCU 都使用的是 STM32F769NI，因此，我们直接编译后下载是可以运行的。

  不过两者的板载资源不同（例如，DRAM 大小），因此，Kernel 识别的某些外设信息是不对的。这里仅仅关注如何进行零基础编译，在博文 Linux 之十 移植过程详解、 STM32F769I-EVAL 开发板适配 中我详细介绍了如何将 Kernel 移植到 STM32F769I-EVAL 板子。

构建过程

  Linux Kernel 的构建过程与 U-Boot 构建过程是一模一样的。因为 U-Boot 的构建就是采用的 Linux Kernel 的 Kconfig/Kbuild 构建系统。具体见博文 U-Boot 之一 零基础编译 U-Boot 过程详解、Image 镜像介绍及使用说明、DTB 文件使用说明 和 U-Boot 之四 构建过程（Kconfig 配置 + Kbuild 编译）详解。

  在开始编译之前，我们先介绍两个命令：make clean 用于清空编译中间文件 和 make distclean 用于清除所有编译产生的文件。如果我们想要重新编译，可以使用以上两个命令清理环境。这两个命令均定义在 Kernel 源码根目录的 Makefile 中。

1. 第一步肯定是获取 Kernel 的源代码，我这里采用的是最新的 LTS 版：5.15.52：wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.15.52.tar.xz。下载后直接解压：tar xvJf linux-5.15.52.tar.xz。
   

   1. 可能需要相关工具才可以直接从 Kernel 官网下载
   2. 最好不要选用 Mainline 分支的版本
   3. 解压过程时间较长，耐心等待

     成功下载并解压源代码之后，我们需要进入解压的 Kernel 源码目录下，使用命令：cd linux-5.15.52。此后就在 Kernel 源码目录下进行各种操作。

2. 第二步就是生成配置，直接使用命令：ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-eabi- make O=build_stm32 stm32_defconfig。其中，参数 O=xx 用于指定编译的输出路径，这样，所有编译输出都放到指定目录下，方便查看。
   

3. 第三步修改配置（裁剪）。直接使用命令：ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-eabi- make O=build_stm32 menuconfig。其中，参数 O=xx 用于指定编译的输出路径，这样，所有编译输出都放到指定目录下，方便查看。
   
     需要特殊注意的是，每一步命令都必须带有 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-eabi- 这俩参数，否则不能正常按照我们指定的架构来显示配置。正常就会进入下面左侧的配置界面了。
   
     这里我们需要更改一些参数： “System Type” > “DRAM Base” = 0xc0000000 and “DRAM Size” = 0x02000000，以及将 “Boot options” -> “Kernel Execute-In_Place From ROM” 前面的型号去掉。最后保存退出即可。
   

4. 第四步就是真正的编译了，直接使用命令：ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-eabi- make O=build_stm32 -j$(nproc)，然后就是漫长的等待… 其中，参数 O=xx 用于指定编译的输出路径，这样，所有编译输出都放到指定目录下，方便查看。
   

5. 正常编译完成之后，就会在 Kernel 源码的对应架构目录下生成我们真正需要的 arch/arm/boot/zImage 和 arch/arm/boot/dts/stm32f769-disco.dtb 这两个文件了。
   

Image 说明

  在构建 Kernel 镜像时，我们可以为内核镜像选择多种格式。具体就看在 make menuconfig 这一步的配置。某些格式的镜像可能是针对特定架构的，下面来介绍一下常见的镜像格式。

• vmlinux：vm 是 Virtual Memory 的缩写，它是由用户对内核源码编译出来的最原始的内核文件，是一个 ELF（ Executable and Linkable Format）格式的文件。当我们编译完 Kernel 后，在源码根目录下就会生成该文件。vmlinux 是最原始的镜像文件，其他镜像文件都有它来生成。所有其他未压缩的镜像都直接或者间接由它生成。
  
    vmlinux 这个名字来自于 Unix。在上世纪 60 年代，Unix 开发者简单地称他们的内核为 “unix”，所以，Linux 在上世纪 90 年代诞生后，Linus 开始称他们的内核为 “Linux”。当虚拟内存被开发为更容易的多任务处理能力时，“vm”被放在文件的前面，以表明内核支持虚拟内存。有一段时间，Linux 内核被称为 vmlinux。
    在 Ubuntu 中，内核镜像文件就是 vmlinux 这个格式，存储在 /boot 文件夹中，名字的格式为 vmlinuz-A.B.C.D。A.B.C 是 Stable Kernel 的版本号，D 表示 PATCH 版本号。
  
  注意，在 ./arch/arm/boot/compressed 下，还有个经过压缩之后的 vmlinux 。所有其他与压缩有关的镜像都直接或者间接由它生成。
  

• System.map： 记录 Kernel 中各个符号在内核中位置，但是这个文件是使用了 nm 和 grep工具来手动生成的（不是链接器输出的 map 文件），具体处理是在 scripts\mksysmap 文件中！
  

• vmlinuz：随着内核变得越来越大，无法容纳到可用的引导内存中，因此压缩了内核镜像，命名上则将最后 x 改为 z，以表示它是用 zlib 压缩压缩的。这种压缩并不总是被使用，而是经常被 LZMA 或 BZIP2 取代。

• Image：它是基于根目录下未压缩的 vmlinux 生成的，编译完 Kernel 后，在对应架构的 boot（例如，arch\arm\boot） 目下就会生成该文件。
  
    它经过 objcopy 处理的只包含二进制数据的内核代码，就是将 vmlinux 中的 ELF 头和尾部的符号表等去掉之后剩余的内容。
  

• zImage：它是基于压缩过的 vmlinux 生成的，编译完 Kernel 后，在对应架构的 boot（例如，arch\arm\boot） 目下就会生成该文件。
  
  生成方式与上面的 Image 是一模一样的（掐头去尾）。这里就不多上图了。

  1. zImage 是 ARM linux 常用的一种压缩镜像文件
  2. 这种格式的 Linux 镜像文件多存放在 NAND 上

• bzImage：bz 表示 big zImage，其格式与 zImage 类似，但采用了不同的压缩算法，bzImage 的压缩率更高。

• uImage：这是 uboot 专用的镜像文件，它是在 zImage 之前加上一个长度为 0x40 的头信息(tag)，在头信息内说明了该镜像文件的类型、加载位置、生成时间、大小等信息。换句话说，若直接从 uImage 的 0x40 位置开始执行，则 zImage 和 uImage 没有任何区别。

  1. 编译完 Kernel 后，在对应架构的 boot（例如，arch\arm\boot） 目下就会生成该文件
  2. 这种格式的 Linux 镜像文件多存放在 NAND 上

• xipImage：它是基于根目录下未压缩的 vmlinux 生成的，编译完 Kernel 后，在对应架构的 boot（例如，arch\arm\boot） 目下就会生成该文件。
  
  生成方式与上面的 Image 是一模一样的（掐头去尾）。这里就不多上图了。

  xip 是 Execute In Place 的缩写，这种格式的 Linux 镜像文件多存放在 NorFlash 上，运行时不需要拷贝到内存 SDRAM 中，可以直接在 NorFlash 中运行。

Image 使用

  Kernel 镜像的使用与我们在 make menuconfig 中的配置是有关系的。当然也与 U-Boot 相关。在上面的编译中，我们实际需要的文件是 linux-5.15.52/build_stm32/arch/arm/boot/zImage 和 linux-5.15.52/build_stm32/arch/arm/dts/stm32f769-disco.dtb 这两个文件。

• zImage：这个通常需要使用 U-Boot 的相关命令来将它下载开发板的对应存储器中。例如，我这里就需要使用命令 fatload mmc 0 0xc0000000 zImage 将 zImage 下载到 MMC 中
• stm32f769-disco.dtb：这个需要直接烧录到 MCU 的内部 FLASH 中，地址是 0x81c0000。这个其实在 U-Boot 中有对应的配置项。

参考

1. https://www.howtogeek.com/howto/31632/what-is-the-linux-kernel-and-what-does-it-do/
2. https://www.cnblogs.com/Oude/articles/12039025.html
3. https://james-hui.com/2021/07/02/building-a-small-uboot-linux-and-rootfs-for-arm-cortex-m7/
4. https://blog.csdn.net/m0_47799526/article/details/106203517
5. https://blog.csdn.net/lpwsw/article/details/122098847