学内核之二：基于QEMU搭建Linux内核运行调试环境
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一 接续上文
二 编译根文件系统
三 构建完善根文件系统
四 内核中指定根文件系统
五 带根文件系统启动内核
一 接续上文
在上一篇文章中，我们展示了通过QEMU仿真软件来运行Linux内核的过程。因为是仿真，所以我们可以构建不同架构平台的环境来进行调试，这对开发者学习内核非常友好。当然，为了简化过程且能够有一定代表性，平台选择了ARM。
学内核之一：基于QEMU搭建Linux内核启动调试环境_龙城赤子的博客-CSDN博客
显然，基于上文的环境，我们只能调试内核的启动过程。这是因为没有提供根文件系统，内核启动后，加载文件系统时就会异常停止，自然也无法执行shell等待用户输入。当我们想要调试一些运行过程中的内容时，就很不方便了，甚至是无法进行。比如，想看看一些系统调用的执行过程，或者设定一些触发条件，在事件产生时查看内核的处理逻辑等。
这这一篇文章中，我们就来补充缺失的根文件系统。这也算是对上一篇最后部分提出的第一个问题的解答。
在正式开始之前，对另外两个问题也做个简单的说明。
关于append参数，就是提供给内核的启动命令，效果类似uboot中传递给内核的cmdline。当然，有没有这个参数以及参数内容设置正确与否，都不影响启动过程。因为只有运行到使用参数的地方时，代码逻辑才会检测出问题。在本文中，这个参数不仅要有，而且还要正确，因为我们要加载根文件系统，让系统在模拟环境下完整运转起来。
关于GDB调试，其实我们可以将内核生成的vmlinux也看做是一个程序，那就好理解多了。vmlinux跟普通程序的区别是它的地址空间是确定下来了的。里面使用的地址也是加载后实际的地址。vmlinux.o文件则类似应用程序，使用的是相对地址。对于应用程序，可以由操作系统的加载过程完成地址的映射处理，而对于内核，就需要自己解决。
其次，GDB使用vmlinux可以明确调试过程中的符号信息。
好了，进入正题。
二 编译根文件系统
为了不让内核运行后挂起来，我们需要完成根文件系统的加载。这样，就需要提供一个根文件系统。对于嵌入式领域开发者来讲，busybox是流行选择。
从busybox官方网站下载一个稳定版。BusyBox
我这里下载了1.33.2版本。解压后，就可以考虑编译了。参照网上的资料，选择静态库方式。
make defconfig
make menuconfig
make CROSS_COMPILE=arm-none-eabi- ARCH=arm -j4在menuconfig中选择静态方式 Build static binary
不过，在编译过程中出现了错误：
CC applets/applets.o
In file included from include/libbb.h:13,
from include/busybox.h:8,
from applets/applets.c:9:
include/platform.h:168:11: fatal error: byteswap.h: No such file or directory
168 | # include
| ^~~~~~~~~~~~
compilation terminated.
scripts/Makefile.build:197: recipe for target 'applets/applets.o' failed
make[1]: *** [applets/applets.o] Error 1 提示找不到byteswap.h头文件。在编译工具链目录下搜索了一下，确实没有上述头文件。具体是编译工具链自身问题还是跟busybox版本匹配问题，有时间了再研究。参考本人方法的读者，需要在这块注意了。
我选择了另一个工具链，这个是瑞星微开发板带的工具链，有上述头文件
./arm-buildroot-linux-gnueabihf/sysroot/usr/include/bits/byteswap.h
./arm-buildroot-linux-gnueabihf/sysroot/usr/include/byteswap.h使用这个工具链，可以编译通过。所以，如果你也遇到了上述问题，可以考虑换个工具链。为确保工具链匹配，在编译之前，可以先检查一下是否包含上述头文件。另外需要注意的是，不同工具链的二进制兼容性也是要考虑的。像eabi、thumb、浮点支持情况等。这里也先留作一个问题，后续我们通过一篇新的文章来介绍于ARM相关的此类常见问题。
最终的编译工具链就换成了下面这个
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm -j4编译完成后，直接make install可能会有问题，尽量带上工具链，确保万无一失
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm install完成后，会生成一个_install目录，里面包含了基础的命令。因为是静态方式，所以不包含库。
其实，生成的各种命令是符号链接，这样不仅可以缩小体积，还可以加速启动和执行过程。内核启动加速技术就有这相关的。感兴趣的读者可以搜索相关资料研究。
三 构建完善根文件系统
目前只是具备了启动程序和周边命令。我们还要补充文件系统相关的其他目录，包括dev、etc、proc、sys等。这里面有些是内核自动生成的，有些是手动或者执行特定命令创建的。本人没有花费太多时间，参考了网上例子。具体读者可以自己搜索，这部分问题不大。
然后将生成的文件系统目录下的所有文件打包
root@ubuntu:/home/work/KernelStudy/rootfs# find . | cpio -o --format=newc > rootfs.img
cpio: File ./rootfs.img grew, 1918976 new bytes not copied
7563 blocks现在我们有了根文件系统，剩下只需做两件事，在内核配置中指定上述文件所在目录，其次在qemu命令行中指定上述文件所在位置。我们一件一件来搞定。
四 内核中指定根文件系统
这里需要注意，如果直接在内核目录下menuconfig，并在其中配置上述配置项CONFIG_INITRAMFS_SOURCE="/home/work/KernelStudy/rootfs"
则编译内核时，会引出很多配置要求
如果你一路默认选择下来，并使用前一篇文章中指定的qemu命令启动新生成的内核时，将看不到任何输出。本人试了好几次，都是这样。每次make defconfig后直接编译的版本是可用的。为了规避这个问题（后续有时间再研究），我采用了另外一种迂回的办法，就是先make defconfig，然后打开生成的.config文件，直接修改里面的CONFIG_INITRAMFS_SOURCE项目，之后执行make bzImage -j4 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-eabi-。此时虽然还会出现一些配置项，但是默认处理后，编译的内核是可以通过qemu启动的。
五 带根文件系统启动内核
现在，我们在qemu命令中指定append附带的cmdline以及关联的根文件系统img文件。
qemu-system-arm -nographic -m 512M -M virt -kernel /home/work/KernelStudy/Kernel/linux-4.19.244/arch/arm/boot/zImage -append "rdinit=/linuxrc root=/dev/ram console=ttyAMA0 loglevel=8" -initrd /home/work/KernelStudy/rootfs/rootfs.img 之后，内核启动起来。且cmdline也传递进去了
最后，成功加载根文件系统
我们看到，命令可以使用
在此基础上，我们就可以调试运行状态的内核了。关于GDB调试内核过程及前面提到的问题，我们下一篇再讲。今天就到这里。
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