Linux内核开发之编译和运行

在本篇文章中，读者可以跟着我们的一步一步的教程最终学会如何搭建Linux内核开发环境，并最终能成功运行自己编译的内核，本文主要是针对arm架构来编译Linux内核，因此读者不仅可以学习到如果编译内核，还将学会如何使用QEMU搭建arm仿真环境。 本文将介绍两种Linux内核编译方法

1. 第一种为不借助任何编译系统的原始编译方法，相对较为复杂
2. 第二种则借助BuildRoot编译系统实现了一键编译，相对比较简单

编译Linux内核需要在Linux系统中运行，推荐使用Ubuntu，并安装 build-essentials 包，本

1. 原始编译

如果不使用编译系统进行一键式Linux编译的话，我们需要先获取交叉编译器，有几种不同的方式：

1. 直接在系统中安装
2. 使用crosstool-ng
3. 使用第二章中使用 buildroot 编译出来的host工具链

本文第二章将介绍buildroot的使用方法，因此我们的环境中已经有buildroot帮我们生成的交叉编译器，因此我们会使用第三种方式，将buildroot编译出来的工具添加到PATH里边

1
2

export PATH=/home/exu/WorkArea/linux-study/buildroot-2022.02.8/output/host/bin:$PATH
export CROSS_COMPILE=arm-linux-

1.1 U-Boot配置和编译

下载U-Boot源码https://github.com/u-boot/u-boot 以后，我们需要拷贝默认配置

1

cp configs/vexpress_ca9x4_defconfig .config

如果我们需要修改默认配置可以运行

1

make menuconfig

保存修改以后的配置，然后运行make -j32启动编译，编译的结果会放置在u-boot文件夹的根目录，我们使用QEMU测试下刚刚编译好的U-Boot，运行

1

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 128M -nographic -kernel u-boot

以后将成功启动u-boot，在QEMU可以按 ctrl-a, x退出

1.1.1 向SD卡中安装U-Boot

• 创建空的SD卡文件dd if=/dev/zero of=sd.img bs=1M count=1024
• 使用cfdisk在SD卡中创建分区 cfdisk sd.img, 并格式化

1
2
3

sudo losetup -f --show --partscan sd.img
sudo mkfs.vfat -F 16 -n boot /dev/loop<x>p1
sudo losetup -d /dev/loop<x>

• 带着SD卡启动QEMU

1
2
3

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 128M -nographic \
-kernel u-boot-2020.04/u-boot \
-sd sd.img

1.1.2 配置QEMU网络接口，并启动U-Boot

• 创建qemu-myifup文件

  1 2 3

  #!/bin/sh /sbin/ip a add 192.168.0.1/24 dev $1 /sbin/ip link set $1 up

• 更改文件模式 chmod +x qemu-myifup

• 启动QEMU

  1 2 3 4

  sudo qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 128M -nographic \ -kernel u-boot-2020.04/u-boot \ -sd sd.img \ -net tap,script=./qemu-myifup -net nic

• 在U-Boot中配置IP

  1 2 3

  setenv ipaddr 192.168.0.100 setenv serverip 192.168.0.1 saveenv

• 在U-Boot中ping主机

  1	ping 192.168.0.1

• 在主机中安装tftp服务器（/srv/tftp），则可以实现，在U-Boot中使用tftp从主机下载文件到QEMU

1.2 Linux编译

• 设置交叉编译器 export CROSS_COMPILE=arm-linux-
• 下载linux源码，并使用默认配置 make ARCH=arm vexpress_defconfig (可以运行make ARCH=arm help | grep defconfig 来搜索配置）

1
2
3

make menuconfig
# disable CONFIG_GCC_PLUGINS
# add CONFIG_DEVTMPFS_MOUNT

• 运行 make -j32

编译结束以后，文件的位置：

• 镜像：arch/arm/boot/zImage
• Device Tree: arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb

1.3 U-Boot加载Linux

• 在U-Boot中设置Linux启动参数

1
2

setenv bootargs console=ttyAMA0
saveenv

• 使用tftp加载经常和DTB文件

1
2

tftp 0x61000000 zImage
tftp 0x62000000 vexpress-v2p-ca9.dtb

• 启动Kernel

1

bootz 0x61000000 - 0x62000000

在这里启动肯定会抛出panic,因为我们没有提供root filesystem

也可以通过设置bootcmd来自动化前边的操作

1
2

setenv bootcmd 'tftp 0x61000000 zImage; tftp 0x62000000 vexpress-v2p-ca9.dtb; bootz 0x61000000 - 0x62000000'
saveenv

2. 使用编译系统 Buildroot

2.1 使用Buildroot来编译Linux

Buildroot is a tool that simplifies and automates the process of building a complete Linux system for an embedded system, using cross-compilation. In order to achieve this, Buildroot is able to generate a cross-compilation toolchain, a root filesystem, a Linux kernel image and a bootloader for your target. Buildroot can be used for any combination of these options, independently (you can for example use an existing cross-compilation toolchain, and build only your root filesystem with Buildroot).

使用BuildRoot可以大大简化Linux内核的编译过程，实现一键编译，在开始编译以前，我们需要到 BuildRoot官方网页 下载BuildRoot编译系统，下载完毕后，我们将压缩包解压以后就可以开始配置我们要编译的Linux内核了

• 运行 make menuconfig 可以从头开始配置Linux
• 也可以使用默认的一些配置，通过运行 make list-defconfigs 来列出所有支持的默认配置，然后通过 make <defconfig-name> 来使用某个默认配置（在这里我们选择arm）配置会生成到 .config 文件夹中

配置完成以后通过运行make命令来启动编译

• 运行 make -j32 来启动多线程编译

当成功编译以后，编译结果将被存放在 output 目录中其中

host 目录包含在 host 机器（也就是我们用户编译Linux内核的机器）上用到的工具，例如

• 交叉编译器名称，例如：arm-buildroot-linux-uclibcgnueabi
• 交叉编译器可执行文件，在目录 output/host/bin
• Sysroot：output/host/arm-buildroot-linux-uclibcgnueabi/sysroot

images目录包含目标板上用到的文件，例如

• Root file system：rootfs.ext2
• Device tree: versatile-pb.dtb
• Kernel: zImage

2.2 在QEMU上运行Linux

在这里我们使用 Direct Linux Boot 的方法在QEMU中启动Linux内核，大家可以在QEMU官网介绍 中找到Direct Linux Boot的相关介绍，简单来说就是QEMU支持的不使用启动镜像的方式来加载内核镜像。

因为我们在编译内核前选择了arm架构，因此我们编译出来的Linux内核需要在arm环境中才能运行，QEMU提供了针对arm的仿真，我们在安装好QEMU的系统中使用qemu-system-arm命令来仿真arm架构

通过运行下述命令来启动我们刚刚编译好的内核

1
2
3
4
5
6
7

qemu-system-arm -M versatilepb -m 256 \   # versatilepb board 256MB memory
-kernel output/images/zImage          \   # kernel linux image
-dtb output/images/versatile-pb.dtb   \   # device tree
-drive file=output/images/rootfs.ext2,if=scsi,format=raw \  #rootfs SCSI disk
-append "root=/dev/sda console=ttyAMA0,115200" \ # kernel command line argument
-serial stdio \ # redirect virtual serial port to stdio
-net nic,model=rtl8139 -net user   # create virtual network and user mode network stack

2.3 为我们自己的Linux写一个hello world

代码和编译

在host机器上创建一个hello.c文件

1
2
3
4
5
6

#include <stdio.h>

void main(void)
{
    printf("hello world in QEMU Linux!\n");
}

使用 output/host/bin目录中的交叉编译编译hello.c

1

.output/host/bin/arm-buildroot-linux-uclibcgnueabi-gcc hello.c -o hello

使用file命令可以检查文件格式，确认文件为arm架构的ELF格式

1
2

file hello
hello: ELF 32-bit LSB pie executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-uClibc.so.0, not stripped

可执行文件导入到QEMU系统

将 images 里的rootfs 挂在的host机器上

1

sudo mount -t ext2 -o rw,loop output/images/rootfs.ext2 /mnt/try

将编译出来的hello可执行文件拷贝到rootfs

1

sudo cp hello /mnt/try/root

取消挂载

1

sudo umount /mnt/try

启动QEMU并运行hello文件

通过Direct Linux Boot启动QEMU，在系统启动后，可以在/root目录下找到hello可执行文件，运行后将输出我们打印的字符串

1
2
3
4
5
6

Welcome to Buildroot
buildroot login: root
# ls
hello
# ./hello
hello world in QEMU Linux!