ARM树莓派高级开发——linux内核源码、树莓派源码编译、SD卡挂载

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

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

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。

总结：

C51，STM32（裸机） 启动：c直接操控底层寄存器实现相关业务，属于业务流程型的裸机代码
遥控灯 ：while（1）
垃圾桶：wemosD1 Loop
恩智浦智能车：stm32

x86 Inte1 windows 启动过程： 电源 —> BIOS —> windows内核 ——> C,D盘 ——> 程序启动（QQ）

嵌入式产品：树莓派，mini2440 ，mini6410 ，nanopi ，海思， 启动过程： 电源 ——> BootLoader（引导操作系统启动） ——> Linux内核 ——> 文件系统（根据功能性来组织文件夹，带访问权限）如：KTV点歌机，人脸识别打卡器，智能家居主控…

安卓启动过程： 电源 ——> fastBoot/Bootloader——> Linux内核 ——> 文件系统 ——> 虚拟机（java）——> HOME应用程序 ——> 点xx图标打开xxAPP

BootLoader：

一阶段 ：让CPU，跟内存（FLASH），串口 （IIC 、IIS），数据段 打交道，驱动这些设备（汇编和c结合）

二阶段：引导linux内核启动（纯c）

linux内核源码树

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

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。

linux内核

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：

• 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。

block：部分块设备驱动程序。

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。

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。

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。

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。

树莓派Linux源码配置

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

  1. 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。
     
  2. 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。

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。
  我们简单过一下交叉编译环境搭建：

手动配置环境变量
编译工具下载后，在64位ubuntu上编译我们需要的编译工具bin文件在：tools/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin
目录下，将此目录添加到环境变量PATH中，添加方法：
先进入 vi /home/wxc/.bashrc 在最后面一行加入
export PATH=$PATH:/home/nicek/githubProjects/raspberrypi/tools/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin

如果是在32位系统中编译则要选择32位的交叉编译工具。

配置完成之后可以用编译工具命令查看到版本号： arm-linux-gnueabihf-gcc -v

之后，所有的make命令都要指明一些环境变量： ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7

ARCH=arm : 指明当前要编译arm，虽然树莓派是64位的，这里仍然选择arm，而不是arm64。
CROSS_COMPILE : 指明交叉工具链名称。
KERNEL : 指明kernel类型，树莓派1设置为kernel，树莓派2、3设置为kernel7。

export环境变量后，在本终端里的后续命令都可以不用再指明这些环境变量，如：
配置之前的命令：ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make menuconfig
配置之后的命令：make menuconfig

配置config

• 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：

• 使用源码里自带的config：ARCH=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。
  内核配置:

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make bcm2709_defconfig
指定ARM架构   指定编译器                     树莓派         主要核心指令

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出现下图报错该错误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 bison，sudo 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。
  下载，或升级update出现问题 （点击这里）

• 出现下图表示复制成功，configuration written to .config
  

• 添加某些驱动
  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ncurses 库：sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev，sudo 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 bc，sudo apt-get install zlib1g:i386

• 执行完执行ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make 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。
  

• 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。

Linux内核编译

1、安装必要的库：

sudo apt-get install bc
sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev
sudo apt-get install zlib1g:i386
sudo apt-get install libc6-i386 lib32stdc++6 lib32gcc1 lib32ncurses5

上面安装ncurses 库我们已经按装了，这里提到一句，没按过的，记得安装.

2、编译

执行menuconfig

c 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。

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：

编译
ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make -j4 zImage modules dtbs 2>&1 | tee build.log
以n进程编译。不指明几进程的话则默认以单进程编译。

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）。

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make -j4 zImage modules dtbs 
                                                                 j4是指定用多少电脑资源进行编译 
                                                                 zImage生成内核镜像   
                                                                 modules要生成驱动模块  
                                                                 dtbs生成配置文件

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。

这里大概需要等待个20分中左右，如果10秒就出错了，说明之前配置没弄好，如交叉编译啊等。

• 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。

我们ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make -j4 zImage modules dtbs 后没有报错，

其次在内核的源码树目录下生成vmlinux，vmlinux是没有压缩的linux

真正的内核生成的 在arch/arm/boot下，zImage才是我们想要的

编译成功后，看到源码树目录多了vmlinux,失败则无此文件
成功后，目标zImage镜像arch/arm/boot底下

3、打包zImage文件

打包zImage文件
直接用linux源码包里的工具：
./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。

注：网上很多地方说的用 tools/mkimage/imagetool-uncompressd.py 的方法不行！！

• 我们直接打包zImage文件 直接用linux源码包里的工具： ./scripts/mkknlimg arch/arm/boot/zImage ./kernel_new.img

  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。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。
  

我们把树莓派的SD卡插入U盘，插到虚拟机里。

• 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）
  sdb2（根目录相关文件）。
  

4、挂数据拷贝

• 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，这里我在/home/wxc目录下mkdir data1 data2创建了两个文件夹data1 和 data2

1.挂载U盘

sudo mount /dev/sdb1 data1 一个fat分区，是boot相关的内容，kernel的img
sudo mount /dev/sdb2 data2 一个是ext4分区，也就是系统的根目录分区。

将内存卡中的sdb1挂载到data1（fat）文件夹夹，这样fat里面就有sdb1（boot相关）的内容了
将内存卡中的sdb2（根目录分区）挂载到data2（fat）文件夹夹，这样fat里面就有sdb1的内容了

• 2. 安装modules
  挂载分区后，安装modules
  设备驱动文件： HDML 、USB、WIFI、IO 等…
  sudo ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make INSTALL_MOD_PATH=/home/wxc/data2 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,这里我换成了/home/wxc/data2。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：
  

• 3.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 kernel7OLD.img 。不要直接删除，否则如果刷机没成功，原始kernel7.img被删除或者覆盖了，树莓派就开不开机了。
  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/wxc/data1/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。
  

• 4.复制其他相关文件
  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

树莓派内核编译部分参考博文