Linux学习笔记——Linux内核镜像格式概述

什么是“镜像格式”？

在嵌入式开发、操作系统开发中，经常提到“镜像（Image）”这个词。所谓“镜像”，指的是一个可执行文件或者系统映像，它包含了某个程序、操作系统、或某个组件的完整可运行形态，包括指令、数据、头信息、符号表等等。镜像就是你最终要烧录进板子（Flash 或 eMMC 等存储器）中用来启动和运行的程序。

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Linux 内核镜像格式有哪些？

从功能和使用角度，我们可以将 Linux 内核镜像格式划分为以下几类：

镜像名称	格式	是否压缩	可否直接烧录	是否供调试	是否适用于 U-Boot	备注
vmlinux	ELF	否	否	是	否	编译生成的原始内核
vmlinuz	gzip	是	否	否	否	压缩版内核
Image	二进制	否	是	否	取决于U-Boot配置	标准镜像格式
zImage	gzip	是	是	否	有些U-Boot支持	Image的压缩版
uImage	gzip + header	是	是	否	是（通用支持）	U-Boot专用格式
u-boot	ELF	否	否	是	否	bootloader本体
u-boot.bin	binary	否	是	否	否	供烧录的Bootloader

下面，我们逐一详细讲解每种格式的特点、产生过程和使用场景：

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一、vmlinux —— 编译生成的原始内核（可执行ELF）

1. 定义

• vmlinux 是内核源代码经过编译后生成的 最原始的、完整的ELF可执行文件。
• 它包含：内核指令、数据段、调试符号（Symbol Table）、节区信息等。
• 是用于内核调试的重要文件。

2. 特点

• 未压缩，体积非常大（几十MB甚至上百MB）。
• 不能用于启动或烧录。
• 可以用 readelf、nm、objdump 查看其结构和符号。
• vmlinux 是 zImage、Image、uImage 的基础文件。

3. 作用

• 用于内核调试，比如使用 GDB。
• 用于生成其他可烧录格式的中间产物。

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二、vmlinuz —— vmlinux 的压缩版（gzip）

1. 定义

• vmlinuz 是 vmlinux 压缩后的版本，常见于 PC 的 Linux 系统中。
• 压缩算法常为 gzip，也有使用 bzip2 或 xz。

2. 特点

• 通常位于 /boot/ 目录下，作为引导项之一。
• 压缩后体积显著缩小。
• 一般由 make install 自动生成。

3. 使用场景

• 用于标准 PC 系统中，如 Debian、Ubuntu 的 GRUB 启动项。
• 不能用于嵌入式系统的烧录，因为其不是原生可执行镜像。

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三、Image —— 标准的内核二进制镜像（未压缩）

1. 定义

• Image 是 vmlinux 去除调试符号后生成的、可用于烧录的镜像文件，格式为裸二进制文件（raw binary）。

2. 特点

• 是内核编译后，用于部署的正式版本。
• 不能直接运行于 Linux 系统下，但可以烧录到目标设备上。

3. 构建方式

通常使用以下命令生成：

$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- Image

4. 使用场景

• 直接烧录到 Flash、eMMC、iNAND 等硬件存储器中。
• 某些 U-Boot 支持直接加载 Image（需 U-Boot 配置支持）。

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四、zImage —— 压缩内核镜像（gzip + 解压器）

1. 定义

• zImage 是对 Image 进行 gzip 压缩后再加上一个自解压模块的结果。

2. 特点

• 内部结构：前段为解压器（小型loader），后段为压缩后的Image。
• 加载到内存后会自动解压并跳转执行。

3. 为什么需要压缩？

• 历史原因：Image 太大，1.44MB软盘装不下。
• 嵌入式系统受存储空间限制，压缩可减小占用空间，提高传输效率。

4. 构建方式

$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- zImage

5. 使用场景

• 某些支持 zImage 的 U-Boot 可直接引导。
• 一般情况下需要进一步加工为 uImage 才能被 U-Boot 识别。

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五、uImage —— U-Boot 可识别的内核镜像

1. 定义

• uImage 是在 zImage 的基础上通过 mkimage 工具加工得到的格式。
• 加工过程：在 zImage 前加上 64 字节的 U-Boot 头部信息。

2. mkimage 工具

来自 U-Boot 的工具链，作用是给镜像添加头部，使得 U-Boot 能识别。
安装方法：

$ cd u-boot/tools
$ cp mkimage /usr/local/bin/

3. 构建方式

$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- uImage

或手动：

$ mkimage -A arm -O linux -T kernel -C gzip -a 0x30008000 -e 0x30008000 -n "Linux Kernel" -d zImage uImage

参数说明：

• -A：架构（arm）
• -O：操作系统（linux）
• -T：镜像类型（kernel）
• -C：压缩方式（gzip）
• -a：加载地址
• -e：入口地址
• -n：镜像名字
• -d：镜像数据来源（zImage）

4. 使用场景

• 几乎所有使用 U-Boot 的嵌入式系统都使用 uImage。
• 通常 U-Boot 命令：

bootm 0x30008000

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六、u-boot 和 u-boot.bin 的区别

1. u-boot（ELF 格式）

• 是 U-Boot bootloader 源码编译后生成的 ELF 可执行程序。
• 可用于 Linux 系统下模拟或调试。

2. u-boot.bin（二进制格式）

• 是将 u-boot 通过 objcopy 转换为 binary 格式，去掉符号表、节区信息后形成的裸镜像。
• 这是实际烧录到设备中的 bootloader。

转换命令：

arm-linux-objcopy -O binary u-boot u-boot.bin

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总结与对比表

名称	类型	是否压缩	是否带符号表	主要用途	是否可烧录	是否可用于U-Boot启动
vmlinux	ELF	否	是	调试分析	否	否
vmlinuz	gzip	是	否	PC系统引导	否	否
Image	binary	否	否	可用于烧录	是	可能支持
zImage	gzip+自解压	是	否	节省空间，快速启动	是	部分支持
uImage	zImage+头	是	否	U-Boot标准启动格式	是	全面支持
u-boot	ELF	否	是	Bootloader调试	否	否
u-boot.bin	binary	否	否	烧录到Flash	是	否

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面试实用表达（建议背诵）

1. 什么是 vmlinux？

   • vmlinux 是内核编译生成的最原始版本，包含完整的指令和数据段，但不适合直接烧录使用。

2. 为什么需要 zImage？

   • zImage 是 Image 的压缩版，压缩后大小更适合内存受限的嵌入式设备，且自带解压器，启动时自动解压。

3. uImage 和 u-boot.bin 的区别是什么？

   • uImage 是 U-Boot 支持的内核镜像格式，包含自解压模块及头信息；而 u-boot.bin 是 Bootloader 本身的二进制镜像。