树莓派1代·添加一个linux系统调用·编译内核

（可能会有遗漏。请参考文末的参考资料）

一、      实验目的

1. 学习Linux内核的配置和编译；
2. 深入理解Linux系统调用；
3. 理解ARM和x86的CPU模式（系统模式、用户模式等）的不同。
4. 掌握内核模块的编写方法。

 

二、      实验器材

硬件：

PC一台（windows7旗舰版,ubuntu14.04虚拟机）

树莓派1代一块

USB-TTL串口线一根

SD卡一张（树莓派自带）

SD读卡器（笔记本自带）

键鼠套装（USB接口）

显示器一台（带dvi接口）

Hdmi转dvi转接线一根

杜邦线若干

软件：

      Putty

      Win32DiskImager

      Virtual box5.0.14

      Ubuntu 14.04

 

三、      器材连接

1.    连接树莓派与USB-TTL串口线

树莓派	USB-TTL
2	VCC
6	GND
8	RX
10	TX

 

四、      实验步骤及结果

以下实验步骤针对树莓派1代

1.     搭建环境

搭建环境主要包括：

a)     安装virtual box 5.0.14 ，安装ubuntu 14.04 lts

b)     Windosws：下载Win32DiskImager，用以烧录树莓派官方系统

c)      将sd卡挂入linux虚拟机

d)     Ubuntu：下载内核源码，编译工具链

e)     Ubuntu：下载相关依赖库、工具等

想到一种曲线救国方案，可以不把SD卡挂入linux虚拟机。在虚拟机内编译好kernel.img和Modules后，分步导入SD卡。

以下过程我没有实践过，讲道理是可以的。

a)    从虚拟机拖出kernel.img和modules（modules内有软链接，可能要删除后才能拖出来）

b)    将modules放入boot分区。启动树莓派，在树莓派内将modules目录放入正确的位置（启动后，boot分区位置：/boot）

c)     SD卡插回pc，将新的kernel.img放入boot分区。再启动树莓派。

 

1)     安装virtual box 5.0.14 ，安装ubuntu 14.04 lts

a)     linux环境：ubuntu 14.04 lts

b)     实验使用virtual box作为虚拟机。截止本实验报告，官网最新版virtual box安装ubuntu 14.04，再安装增强功能，拖曳文件、共享剪贴板有问题（不排除是我个人问题）。因此，安装稍旧的 virtual box 5.0.14

c)      安装ubuntu后，需要安装增加功能（启动系统后，虚拟机菜单栏“设备”->安装增强功能）

 

2)     下载Win32DiskImager，刷机

a)     下载Wind32DiskImage

b)     下载树莓派镜像：（内核版本 3.18。稍后下载内核源码需要对应）

https://downloads.raspberrypi.org/raspbian/images/raspbian-2015-02-17/

c)      SD卡放入读卡器，使用Wind32DiskImage将镜像刷入。

Windows下只看得见boot一个分区，不影响，直接刷就好。

 

3)     将sd卡挂入linux虚拟机

a)     SD卡插入笔记本读卡器后，虚拟机不能直接像u盘一样挂入sd卡。

b)     VirtualBox挂入SD卡参考：

http://superuser.com/questions/373463/how-to-access-an-sd-card-from-a-virtual-machine

c)      Windows大致步骤：

                        i.         查看SD卡设备号

                      ii.         建立SD卡的文件链接

                     iii.         Virtual box添加SD卡设备

                     iv.         （如果以上步骤不成功，到virtualbox官网下载虚拟机增强工具，貌似叫extension****。在下载virtual box的页面，会有相应增强工具的链接。我之前下过，不知道是否必须）

d)     注意：

                        i.  添加SD卡后，如果取出了SD卡，linux就不能启动了。弹出SD卡也会导致linux崩溃。没有SD卡时，需要将之前添加的SD卡设备删除，才能正常启动linux

                      ii.  添加SD卡后，ubuntu左侧导航会出现两个硬盘图标。点击后查看具体的挂载位置。如过启动linux后，终端里cd这个位置，说找不到路径。点开一次硬盘图标，再cd，就能找到路径了。

                     iii.  我在linux里，对boot分区操作，会导致linux崩溃，猜测是windows和linux共享了boot分区的原因。所以，对boot分区的操作，我是直接在windows下进行的，另一个分区在linux里操作。

 

4)     下载内核源码，编译工具链

a)     下载内核3.18的源码：

wget https://github.com/raspberrypi/linux/archive/rpi-3.18.y.tar.gz

b)     解压：

tar-xzf rpi-3.18.y.tar.gz

c)      建软链接，方便使用：

ln-s linux-rpi-3.18.y/ linux

d)     下载编译工具链（主要是交叉编译所用的gcc）：

注意：最好不要把tools放在linux目录里，tools和linux放在同一个目录下就好

gitclone git://github.com/raspberrypi/tools.git

e)     下载相关依赖库、工具等

以下是我安装了，但我也不知道是不是必须安装的：

apt-getinstall lib32z1 lib32ncurses5

apt-getinstall libncurses5-dev

apt-getinstall bc

 

 

2.  复制配置文件config

刷机后，启动一次树莓派，在树莓派上

1)    查看内核版本

Uname –a

内核为3.18，与下载的源代码相同

2)    复制配置文件config.gz，稍后用于编译内核

cp /proc/config.gz /home/pi

 

       关机，取下SD卡，插入pc，打开虚拟机，在ubuntu内：

1)    复制config.gz

cp  /media/my/fe/home/pi/config.gz  /home/my/linux （fe是SD卡根目录分区路径）

2)    解压

zcat config.gz > .config

 

3.  修改系统调用

1)     在linux/arch/arm/kernel中新建sys_mysyscall.c文件，包含新的系统调用处理函数

该系统调用处理函数向系统日志打印”This is the new system call.”

2)     修改linux/arch/arm/kernel中Makefile文件，将sys_mysyscall.o纳入编译进程

3)     修改linux/arch/arm/kernel中calls.S文件，修改系统的中断向量表

修改223号中断

4)     修改linux/include/uapi/asm-generic/unistd.h头文件，将223号调用与某个宏进行关联

5)     修改linux/中的Makefile，修改内核源码的ARCH类型和编译器路径

CROSS_COMPILE为tools目录中编译工具的路径

 

 

4.  编译内核

不做特别说明，都在linux/目录下

1)     查看、修改配置选项

a)     安装字符菜单支持软件包

apt-getinstall libncurses5-dev

b)     查看、修改配置选项

makemenuconfig

不做修改，直接选中exit退出即可

2)     编译内核

编译过程中，如果出现了一堆可选项，一直按enter即可

a)     编译，使用4个线程

make –j4

编译成功后，linux/arch/arm/boot目录下会生成zImage文件，这就是新的内核映像。如果zImage的大小和SD卡boot分区内kernel.img差距过大，编译肯定出了问题，最有可能是配置步骤有问题（比如没有正确导入.config文件）。

b)     使用tools中的工具，处理zImage文件

                        i.  树莓派需要的是另一种格式的镜像文件，不能直接使用zImage（也许可以，我看有些教程是直接将zImage改为kernel.img，我没有试过）

                      ii.  cd/home/my/tools/mkimage

                     iii.  ./imagetool-uncompressed.py../../linux/arch/arm/boot/zImage (这一步如果没有root权限，会提示某某bin文件写入/读取啥啥错误)

                     iv.  成功后会在当前目录下生成一个kernel.img文件，就是新内核。

3)     提取modules

在编译内核的过程中，模块文件也编译出来了，这里把它们提取出来

a)     在linux上层目录，新建目录modules

mkdirmodules

b)     提取modules

cdlinux

makemodules_install INSTALL_MOD_PATH=../modules

 

5.  替换内核

1)     替换kernel.img

boot分区下，（虚拟机下操作boot分区会导致崩溃，建议对boot分区的操作在windows下进行以下操作）

备份kernel.img：kernel.img -> old_kernel.img

将新的kernel.img (tools/mkimage目录下) 放入boot分区

2)     更新内核modules

将提取出的modules/lib目录拷入树莓派根目录下。

cp–r /home/my/modules/lib /media/my/fe

我在这里采用的是复制的方式，建议不要删除原树莓派lib目录下的东西

3)     验证内核

插回SD卡，启动树莓派

uname–a

根据内核版本号和编译时间可知，内核替换成功

 

 

6.  测试新的系统调用

1)     syscall函数

a)     test.c

#include 
#include 
int main()
{
	syscall(223);
	return 0;
}

b)     编译

直接在树莓派上编译

gcc–o t test.c

c)     测试

./t运行

dmesg| tail 查看日志

日志最后一行由新系统调用打印。系统调用成功 

 

2)     汇编代码

#include 
#define sys_call() {__asm__ __volatile__ ("swi 0x900000+223\n\t");} while(0)
int main(void)
{
	sys_call();
	return 0;
}

（网上都是这样写的，但我就是不能成功，表示无奈……）

 

7.  编写内核模块

1)     内核模块代码

加载和卸下模块时，向系统日志打印信息

#include 
#include 
#include 
#include 

static int __init modl_init(void)
{
	printk("Module starts.\n");
	return 0;
}

static void __exit modl_exit(void)
{
	printk("Module ends.\n");
}

module_init (modl_init)
module_exit (modl_exit)

2)     交叉编译

a)     无法在树莓派上直接编译，原因是，编译内核模块需要用到内核源码。树莓派上，新内核的/lib/modules/3.18.16目录下有编译所需的build和source目录。但是这两个目录是软链接，指向ubuntu内的linux目录。尝试过将linux目录拷入树莓派内，因为种种原因失败了（如果努力，应该还是可以成功的）。最后选择在ubuntu上交叉编译

b)     Makefile文件

CROSS_COMPILE是编译工具路径

obj-m:=modl.o
KDIR=/home/my/linux
PWD=$(shell pwd)
ARGS:=ARCH=arm CROSS_COMPILE=/home/my/tools/arm-bcm2708/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi/bin/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi-
default:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) $(ARGS) modules
clean:
	rm *.o *.ko *.mod.c
.PHONY:clean

c)     编译

生成modl.ko

 

8.  测试内核模块

1)     将编译出的modl.ko拷入树莓派

2)     挂载内核模块

insmodmodl.ko

3)     验证

dmesg| tail

lsmod

内核模块挂载成功

4)     卸下内核模块

rmmodmodl

dmesg| tail

 

参考资料：

1.    http://blog.csdn.net/xdw1985829/article/details/39077611

2.    http://tieba.baidu.com/p/3987137224?pid=74172808781#74172808781

3.    http://www.jianshu.com/p/802e7f6ff9ce