linux内核开发基础(linux内核源码、树莓派源码编译、SD卡挂载)

首先下载树莓派linux内核源码:

  • 下载网址:https://github.com/raspberrypi/linux
  • 在树莓派使用指令:uname -r查看当前树莓派的版本号,然后选择对应的linux内核版本号进行下载。
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  • 将linux内核源码从共享文件夹拷贝到SYSTEM文件夹:cp linux-rpi-4.19.y.zip /home/fhn/SYSTEM/然后使用指令对该压缩文件进行解压:unzip linux-rpi-4.19.y.zip
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树莓派等芯片带操作系统的启动过程:

之前学习的51和32(裸机)是直接使用C语言操控底层寄存器实现相关业务,这是业务流程型(就是设备有什么功能,要实现什么功能)裸机代码,而linux的BootLoader是超级裸机(BootLoader的主要作用是引导操作系统启动),BootLoader: 刚开始一阶段学习就是让CPU和内存、FLASH、串口、IIC、IIS、数据段打交道,就是驱动这些设备(主要用到汇编和C);二阶段就是对于引导linux内核启动(纯C)。X86架构(比如:Intel),跑的是windows操作系统,上电启动的时候: 首先是启动BIOS然后是启动windows内核,然后就是加载C、D等盘,最后是启动应用程序。对于其他的嵌入式产品(比如:树莓派、mini24440、mini6410、nanopi、海思、RK(瑞芯微)),这些产品上电后启动过程是:首先启动BootLoader(相当于windows的BIOS吧,但这里叫做BootLoader),然后引导linux内核,linux内核启动完成后就是加载文件系统(和C、D盘不太一样,在linux下是根据功能性来组织文件夹,带访问权限(这就是linux文件系统),就是根目录下的那些东西,可以使用指令:cd / 进入),文件系统起来以后才能跑应用程序(比如:KTV点歌机界面等)。BootLoader、linux内核、文件系统构成操作系统,就像之前所说的在目的平台还没有建立的时候,需要通过交叉编译让这些东西可以使用。 安卓的启动过程: 有很多嵌入式设备都开始运行安卓操作系统,首先硬件上电后,启动fastboot(也叫BootLoader,意思和BootLoader一样),然后引导linux内核,linux内核起来以后加载文件系统(因为底层还是linux),文件系统起来以后开始跑一个运行java代码的虚拟机,虚拟机起来以后开始运行home应用程序(就相当于手机的界面),点击home界面的某图标就可以打开相应的app。

  • 简单介绍,根目录下一些文件夹存放的东西,在嵌入式体统中,为了精简系统。/bin,/dev,/etc,/lib,/proc,/var,/usr 对于根文件系统来说是必须具有的,其他目录都是可选的。首先使用指令:cd /进入到根目录,然后可以看到下面的一些文件夹。这篇博文更详细

  • dev: 该目录下存放的是设备文件,设备文件是Linux中特有的文件类型。在Linux系统下,以文件的方式访问各种设备,即通过读写某个设备文件操作某个具体硬件。譬如通过"dev/ttySAC0"文件可以操作串口0。(在linux下一切皆文件,就像之前树莓派的串口就是存放在dev下面)

  • lib: 该目录下存放共享库和可加载驱动程序模块。共享库用于启动系统、支持可执行程序的运行。

  • etc: 该目录下存放着各种配置文件,对于PC上的Linux系统,/etc目录下的文件和目录非常多,这些目录文件是可选的,它们依赖于系统中所拥有的应用程序是否需要配置文件。在嵌入式系统中,这些内容可以大为精减。

  • root: 根用户的目录,与此对应,普通用户的目录是/home下的某个子目录。

  • usr: 该目录存放的是共享、只读的程序和数据,/usr目录下的内容可以在多个主机间共享。

  • var: 与/usr目录相反,/var目录中存放可变的数据,比如spool目录(mail,news),log文件,临时文件。

  • proc: 该是一个空目录,常作为proc文件系统的挂载点,proc文件系统是个虚拟的文件系统,它没有实际的存储设备,里面的文件都是由内核临时生成的,用来表示系统的运行状态,也可以操作其中的文件控制系统。

  • mnt: 用于临时挂载某个文件系统的挂接点,通常是空目录,也可以在里面创建子目录来临时挂载光盘、硬盘,譬如/mnt/cdram /mnt/hda1 。

  • home: 用户目录,它是可选的,对于每个普通用户,在/home目录下都有一个以用户名命名的子目录,里面存放用户相关的配置文件

  • opt: 存放的是和内核底层有些关系的东西

  • bin: 该目录下存放所有用户都可以使用的、基本的命令,譬如cd,ls,cp等。这些命令在挂载其它文件系统之前就可以使用,所以/bin目录必须和根文件系统在同一个分区中,比如:which ls可以查找ls指令的路径

  • sbin: 该目录下存放的是基本的系统命令,它们用于启动系统,修复系统等,与/bin目录相似,在挂接其他文件系统之前就可以使用/sbin,所以/sbin目录必须和根文件系统在同一个分区中

  • boot: 存放的是启动时候的一些数据,包括启动的时候加载的内容、一些命令和命令行的配置等等。

  • tmp: 用于存放临时文件,通常是空目录,一些需要生成临时文件的程序用到的/tmp目录下,所以/tmp目录必须存在并可以访问。

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linux内核源码树:其实就是目录的组织形式

  • 找到之前下载的linux内核源码
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  • 使用tree指令,在以后做第三方工具安装的时候会去检查包里面的内容是否完整,或者是有一个文件夹目录下文件比较多的时候使用tree指令方便查看,然后如果出现识别不了表示没有下载,然后使用指令sudo apt install tree进行下载。
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  • linux内核大约有1.3w个c文件,1100w行代码,是因为linux是一个开源的,支持多架构多平台代码,可移植性非常高。但是linux内核编译出来一般就若干M,因为支持多平台,多架构,所以编译之前要配置,配置成适合目标平台来用。代码编译出来是给一个平台一个架构来用的,很多代码是不参与编译的。例如:ARM架构(海思、RK、树莓派、nanoPi)、X86架构、powerpc、mips等等架构

Linux内核源代码目录树结构:
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  • arch:包含和硬件体系结构相关的代码,每种平台占一个相应的目录。和32位PC相关的代码存放在i386目录下,其中比较重要的包括kernel(内核核心部分)、mm(内存管理)、math-emu(浮点单元仿真)、lib(硬件相关工具函数)、boot(引导程序)、pci(PCI总线)和power(CPU相关状态)。进入arm这个文件夹,这个里面存放的是arm架构相关的设备。mach表示架构相关的,mach-exynos: 是三星公司的架构; mach-hisi : 是海思公司的架构,就单单arm架构下就有很多公司的架构。
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  • block:部分块设备(跟存储设备相关的,像内存、flash等)驱动程序。

  • crypto:常用加密和散列算法(如AES、SHA等),还有一些压缩和CRC校验算法。

  • Documentation:关于内核各部分的通用解释和注释。

  • drivers:设备驱动程序,每个不同的驱动占用一个子目录。

  • fs:各种支持的文件系统,如ext、fat、ntfs等。

  • include:头文件。其中,和系统相关的头文件被放置在linux子目录下。

  • init:内核初始化代码(注意不是系统引导代码)。

  • ipc:进程间通信的代码(之前学习的进程间通信:管道、消息队列、共享内存,在调用的时候都会触发一个异常,系统调用然后进入到内核态。那些API就是支配内核干活)。

  • kernel:内核的最核心部分,包括进程调度、定时器等,和平台相关的一部分代码放在arch/*/kernel目录下,根目录下的kernel一般都放一些通用的内核的最核心部分,包括进程调度、定时器的代码。

  • lib:库文件代码。

  • mm:内存管理代码,和平台相关的一部分代码放在arch/*/mm目录下。

  • net:网络相关代码,实现了各种常见的网络协议。

  • scripts:用于配置内核文件的脚本文件。

  • security:主要是一个SELinux的模块。

  • sound:常用音频设备的驱动程序等。

  • usr:实现了一个cpio(cpio就是复制入和复制出的意思。cpio可以向一个归档文件(或单个文件)复制文件、列表,还可以从中提取文件)。

  • 在i386体系下,系统引导将从arch/i386/kernel/head.s开始执行,并进而转移到init/main.c中的main()函数初始化内核。

配置Linux内核适合树莓派相关操作:

以后可能涉及驱动代码的编写,驱动代码的编译需要一个提前编译好的内核,编译内核就需要对内核进行配置。配置的最终目标是生成.config文件,该文件指导Makefile去把有用的东西组织成内核。配置的方式有以下几种方式:

  • 第一种方式:厂家会配Linux内核源码,比如说:买了树莓派,厂家会提供Linux内核源码,然后这样就可以将厂家的.config文件里面的代码拷贝到要生成的.config文件即可。进入到Linux内核文件夹下,然后使用指令find . -name *defconfig查找以defconfig结尾的文件。比如树莓派的2和3就是使用的下图的bcm2709_defconfig,然后只需要将它拷贝到要生成的.config文件。
  • 第二种方式:使用make menuconfig(menuconfig、defconfig都是用来配置内核的)一项项配置,通常是基于厂家的config来配置。
  • 第三种方式:完全自己来。
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树莓派内核编译:

  • 首先配置好ubuntu交叉编译的环境,环境的搭建在另一篇文章有配置过程。

  • 然后开始配置config,linux源码中有很多工程:树莓派1的工程是bcmrpi_defconfig;树莓派2、3的工程是bcm2709_defconfig配置过程如下:

  • 使用源码里面自带的configARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make bcm2709_defconfig此命令功能是获取bcm2709_defconfig的配置到 .config里。这行命令的意思是:指定arch(架构)是arm架构的-------ARCH=arm ;指定编译器是系统里面arm-linux-gnueabihf-这个编译器,这就是之前配好的交叉编译器--------CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- ;指定树莓派的kernel树莓派里面特别指定的---------KERNEL=kernel7;用的config是bcm2709_defconfig所以是-------make bcm2709_defconfig,这就相当于直接拷贝厂家的config到.config。

  • 如果使用指令:ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make bcm2709_defconfig出现下图报错,则表示该错误的原因是缺少某些需要的库,需要安装一下需要的库就行了,sudo apt-get install bisonsudo apt-get install flex,如果在安装上面库时提示找不到安装库,就需要更新一下source addr,sudo apt-get update #更新;sudo apt-get upgrade #升级,需要用update更新完才能upgrade;更详细的,请 $man apt-get,记录更新源的文件:/etc/apt/sources.list,默认sources.list中的更新源为官方的,下载速度慢,从而需要寻找符合自己需要的更新源。
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  • 出现下图表示复制成功,configuration written to .config
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  • 如果想要添加某些驱动进来,就要:ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make menuconfig,如果没什么改的就不用执行这一步。这时候它就会读取现有.config,给menuconfig做一些基本的项的填充。出现下图错误表示没有ncurses 库,要进行安装:sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-devsudo apt-get install libc6-i386 lib32stdc++6 lib32gcc1 lib32ncurses5,编译的时候还会用到一些其他的必要的库需要进行安装:sudo apt-get install bcsudo apt-get install zlib1g:i386
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  • 执行完执行menuconfig会出现以下Ncurses界面,一般就是在Device Drivers进行设备驱动的配置,用方向键操作,用enter表示确定选择, Pressin < Y > includes表示要将前面带< Y >的编译进了内核,< M > modularizes features意思都是模块化特性,表示驱动以模块的方式生成驱动文件。< N >表示不需要的略过的就是下图的< >。驱动两种加载方式:① * 编译进内核 zImage包含了驱动 ②M 驱动以模块方式生成驱动文件(xxx.ko)系统启动后,通过命令inmosd xxx.ko加载,下图的< * >就是< Y >。在这个Ncurses界面可以使用空格切换< >中的选项。
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  • 我们可以直接用工程里的配置,但这样的话可能会丢失原来使用的树莓派的配置,这里提供一个方法可以获取当前正在使用的树莓派的config。获取当前树莓派的config,已经开机的树莓派上会有这个节点:/proc/config.gz,从这个节点可以获取本树莓派的config。如果没有这个节点的话则需要先加载模块:sudo modprobe configs把 config.gz 内容复制到要编译的电脑上:scp pi@[ip]:/proc/config.gz .解压,保存为.confg文件。zcat config.gz > .config注:必须在linux环境下解压,在mac下会乱码。把此config文件复制到linux源码的根目录,这种方法我没尝试过。

已经生成.config文件了,然后就可以该文件指导Makefile去把有用的东西组织成内核:

  • 使用指令:ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make -j4 zImage modules dtbs 2>&1 | tee build.log,其中2>&1 | tee build.log是错误处理可以不关心不要。make -j4 zImage modules dtbs这段指令中的-j4是指定电脑(虚拟机)用多少的资源来编译,4表示4线程。zImage表示要生成zImage(内核镜像);modules表示要生成驱动模块;dtbs表示要生成配置文件等等。我编译的过程出现以下错误:原因是:都是没有安装libssl-dev~,libssl-dev包含libraries, header files and manpages,他是openssl的一部分,而openssl对ssl进行了实现。解决方案:使用sudo apt-get install libssl-dev来安装libssl-dev即可,这个编译过程大概持续20分钟。
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  • 在编译过程中没有报错,并且在linux源码树目录下生成vmlinx,vmlinux是没有压缩的linux,而真正生成的linux内核是在arch/arm/boot下面的zImage
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  • 编译完成后就需要将编译后linux内核放到树莓派去运行,首先将zImage文件打包,直接用linux源码包(要在linux源码包下执行)里的工具:./scripts/mkknlimg arch/arm/boot/zImage ./kernel_new.img在本目录生成一个kernel_new.img文件,这个文件就是要放到sd卡中的文件。scripts文件夹下面存放的是一些脚本文件,这里的mkknlimg会将zImage打包成kernel_new.img。:网上很多地方说的用tools/mkimage/imagetool-uncompressd.py 的方法不行!!
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  • dmesg是查看底层的硬件信息。当有设备接入的时候,内核会打印设备驱动的一些东西。可使用该指令查看U盘是否接入到ubuntu,并且可以看到SD的两个分区:sdb1(boot)和sdb2(根目录相关文件)。
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  • 挂载树莓派sd卡,并安装编译出的DIRECTLY 到sd卡: 把树莓派的sd卡插入ubuntu系统电脑,树莓派的sd卡有两个分区:一个fat分区,是boot相关的内容,kernel的img文件就放在这个分区里;一个是ext4分区,也就是系统的根目录分区。我们生成的文件涉及到这两个分区的内容,一般插入ubuntu后会自动挂载,fat分区可以不用root权限操作,ext4分区需要root权限操作。两个分区具体挂载在什么地方可以自己决定,以下用[fat]表示boot挂载的路径,[ext4]表示ext4挂载的路径。自己创建两个文件夹:fat和ext4

  • 挂载U盘: sudo mount /dev/sdb1 fat将内存卡中的sdb1挂载到fat文件夹夹,这样fat里面就有sdb1(boot相关)的内容了,sudo mount /dev/sdb2 ext4将内存卡中的sdb2(根目录分区)挂载到fat文件夹夹,这样fat里面就有sdb1的内容了
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  • 挂载分区后,安装modules:sudo ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make INSTALL_MOD_PATH=[ext4] modules_install 执行指令需要进入到源码下的那个文件夹。操作ext4分区,需要root权限(因为是安装到根目录分区)。自己创建的文件夹名称不同,就将对应的[ext4]换成自己挂载根目录分区的文件夹路径即可。在这过程中会生成好多xxx.ko文件(HDMI、usb、wifi、io等的驱动),如果少了这步操作那些设备可能不会正常工作。下图表示安装成功:
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  • 更新 kernel.img 文件: 在更新之前可以选择先备份镜像(注意镜像的名字是kernel7.img),使用指令:cp kernel7.img kernel7oled.img,下面对于更新有两种方式:①前面已经用mkknlimg 工具打包了kernel_new.img文件了,把它复制到boot分区并配置使用即可:cp kernel_new.img [fat]/,编辑 [fat]/config.txt 文件,在最后加入一行:kernel=kernel_new.img(在配置文件里面指定内核镜像是kernel_new.img)。②因为前面已经备份了kernel7.img所以可以直接将 kernel_new.img的内容复制到kernel7.img将原有的东西覆盖掉:cp kernel_new.img /home/fhn/fat/kernel7.img。拷贝完成后可以使用指令:du kernel7.img -h查看文件大小,然后可以使用指令:md5sum kernel_new.img查看原镜像的MD5值(每个文件都有它唯一的编码号就是md5的值),然后再查看拷贝后的镜像的MD5值进行比较,若拷贝过程中文件没有损坏,则md5的值相同,否则可能在拷贝过程中文件损坏。
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  • 复制其他相关文件(配置文件,是为了加载驱动和其他配置文件): cp arch/arm/boot/dts/.*dtb* [fat]/将[fat]换成自己内存卡boot分区挂载的对应的路径,cp arch/arm/boot/dts/overlays/.*dtb* [fat]/overlays/cp arch/arm/boot/dts/overlays/README [fat]/overlays/这两个指令同上也需要将[fat]换成自己内存卡boot分区挂载的对应的路径。

  • 以上内容配置完成后,然后修改config.txt和cmdline.txt文件里面的内容,通过串口观察系统的启动过程。

  • 更新完成后插回树莓派即可开机,开机后可以用 uname -a 命令查看kernel信息已经改变。和从官网下载的内核版本相同。
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  • 树莓派内核编译部分参考博文

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