임베디드 스터디 - 커널 빌드 과정

커널 빌드 개요

• 리눅스 커널은 수천 개의 소스 파일로 구성되어 있어 단순한 gcc 명령으로 빌드 불가
• 이를 관리하기 위해 Kbuild 시스템을 사용함
  • 계층적 Makefile 구조로 각 서브디렉토리를 독립적으로 관리
  • ARCH, CROSS_COMPILE 환경변수로 타겟 플랫폼을 유연하게 전환
  • Kconfig 시스템으로 포함할 기능을 선택적으로 구성

ARCH · CROSS_COMPILE 환경변수

• 임베디드 커널 빌드는 호스트(x86)에서 타겟(ARM 등)용 바이너리를 만드는 크로스 컴파일 환경
• ARCH : 빌드 시 참조할 arch/ 하위 디렉토리를 결정함

ARCH=arm    → arch/arm/     참조 (ARMv7, Cortex-A/R)
ARCH=arm64  → arch/arm64/   참조 (ARMv8, AArch64)
ARCH=x86    → arch/x86/     참조

• CROSS_COMPILE : 크로스 컴파일러 툴체인의 접두사를 지정함
  • 접두사 뒤에 gcc, ld, objcopy 등을 붙여 툴체인 전체를 자동 조합

# ARM64 타겟 커널 빌드 예시
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# → CC  = aarch64-linux-gnu-gcc
# → LD  = aarch64-linux-gnu-ld
# → OBJCOPY = aarch64-linux-gnu-objcopy

# ARMv7 타겟 커널 빌드 예시
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
# → CC  = arm-linux-gnueabihf-gcc

• Makefile에 컴파일러를 하드코딩하지 않고 환경변수로 분리하여 타겟 전환 시 Makefile 수정 불필요

Kbuild 시스템 — 계층적 Makefile 구조

• 최상위 Makefile이 모든 파일을 직접 관리하면 유지보수가 불가능함
• Kbuild는 각 서브디렉토리에 독립적인 Makefile을 두는 계층 구조로 이를 해결함
  • CMake의 add_subdirectory() 와 동일한 개념

linux/
├── Makefile                  ← 최상위: ARCH/CROSS_COMPILE 처리, 전체 조율
├── drivers/
│   ├── Makefile              ← 하위 디렉토리 나열
│   └── tty/
│       └── serial/
│           └── Makefile      ← 빌드 대상 파일 선언
└── arch/
    └── arm64/
        └── Makefile          ← ARM64 전용 빌드 규칙

• 각 하위 Makefile은 obj-y / obj-m 으로 빌드 대상만 선언

# drivers/tty/serial/Makefile 예시
obj-y   += pl011.o                       # 항상 커널에 포함
obj-m   += some_drv.o                    # 커널 모듈(.ko)로 빌드
obj-$(CONFIG_SERIAL_PL011) += pl011.o   # Kconfig 설정에 따라 조건부 포함

Kconfig · menuconfig · defconfig · .config

• CONFIG_ 변수는 Kconfig 시스템에서 생성됨
• 각 디렉토리의 Kconfig 파일이 설정 항목(드라이버 포함 여부 등)을 정의하고, 개발자가 선택한 결과가 .config에 저장됨

명령/파일	역할
Kconfig	각 디렉토리의 설정 항목 정의 파일
make menuconfig	Kconfig를 읽어 TUI로 Y/N/M 선택
make defconfig	특정 보드용 기본 설정 로드 (예: make bcm2711_defconfig)
.config	선택 결과 저장 파일 — 빌드 시 참조

# .config 내용 예시
CONFIG_SERIAL_PL011=y         # 커널에 정적 포함 → obj-y
CONFIG_USB_SERIAL=m           # 모듈로 빌드      → obj-m
# CONFIG_INFINIBAND is not set  # 제외

• obj-$(CONFIG_SERIAL_PL011) 은 .config 값이 대입되어 obj-y 또는 obj-m 이 됨

Kconfig 정의
    ↓
make menuconfig / defconfig   ← 개발자 선택
    ↓
.config 생성
    ↓
Kbuild가 .config 참조 → obj-y / obj-m 결정 → 빌드

빌드 결과물 — vmlinux · zImage · uImage

• 커널 빌드 결과물은 사용 목적에 따라 세 가지 형태로 변환됨

vmlinux
    ↓ ELF 헤더 제거 + objcopy
Image (순수 바이너리)
    ↓ gzip 압축 + 자가 압축 해제 코드 추가
zImage
    ↓ mkimage로 U-Boot 헤더(64바이트) 추가
uImage

결과물	형식	특징	주요 용도
vmlinux	ELF	심볼·디버그 정보 포함, 미압축	커널 디버깅 (gdb vmlinux)
zImage	압축 바이너리	gzip 압축, 자가 압축 해제 코드 내장	ARM 임베디드 표준 부팅
uImage	U-Boot 래핑	64바이트 헤더(CRC·로드주소·진입점) 추가	U-Boot bootm 명령으로 부팅

• vmlinux의 vm은 virtual memory의 약자

전체 빌드 흐름

1. make bcm2711_defconfig      ← 타겟 보드 기본 설정 로드
       ↓
2. make menuconfig              ← 필요 시 추가 설정 조정
       ↓
3. .config 생성
       ↓
4. make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- -j$(nproc)
       ↓
   Kbuild가 계층적 Makefile 순회
   .config 참조 → obj-y/obj-m 결정
   aarch64-linux-gnu-gcc 로 각 .o 컴파일
       ↓
5. 링크 → vmlinux (ELF)
       ↓
6. objcopy → Image → zImage / mkimage → uImage