计算机：操作系统的知识

操作系统，操作系统内核那些事儿

Linux kernel 编译

前置准备

1. linux 环境

   • WSL2 Ubuntu 20.04
   • 依赖：flex，bison，libelf-dev，libssl-dev 等
   • 一键安装依赖可以参考 https://github.com/microsoft/WSL2-Linux-Kernel?tab=readme-ov-file#build-instructions

2. 源码位置：

   • 进入 https://www.kernel.org/，或者搜索 Linux kernel 找到这个
   • 使用 git 下载的话就点击 git：https://git.kernel.org/
   • 有很多 repo，从里面搜索 Torvalds，找到kernel/git/torvalds/linux.git
   • 点进去下方就有下载方式，git clone 或者 wget *.tar.gz 都可以，推荐 wget，源码特别大

3. busybox

   • 用户空间的工具集，否则启动之后没有任何工具可以使用
   • 链接：https://www.busybox.net/
   • git clone，或者 wget *.tar.bz2：wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.37.0.tar.bz2

开始编译

1. 编译 kernel

   • make defconfig
   • （optional）make menuconfig
   • make -j$(nproc)
   • 编译产物会显示：./arch/x86_64/boot/bzImage

2. 编译 busybox

   • 从源码编译
   • make defconfig
   • make nemuconfig
   • 打开：Settings —> Build static binary (no shared libs)
   • 关闭：Networking Utilities —> tc (8.3 kb)
   • make -j$(nproc)
   • make install

3. 打包 initramfiles

   • mkdir rootfs
   • cp -r busybox-1.37.0/_install/* rootfs/
   • vim init，内容如下
     • #!/bin/sh
     • echo “hello masteryi! this is your initramfs!”
     • /bin/sh
   • chmod +x init
   • find . | cpio -o -H newc | gzip > ../initramfs.cpio.gz

使用 qemu 仿真

1. 使用 qemu 仿真

   • sudo apt install qemu-system-x86
   • qemu-system-x86_64 -kernel linux-6.16-rc2/arch/x86_64/boot/bzImage -initrd initramfs.cpio.gz -nographic -append “console=ttyS0”
   • 可以看到日志出现了“hello masteryi! this is your initramfs!”
   • 使用ctrl+A, x退出 qemu

替换 WSL 的内核

1. 将编译好的 vmlinux 拷贝到 Windows 下的路径

2. 设置.wslconfig，这一步只替换 kernel，不影响发行版

   • 查看状态，running 的话关机
   • wsl -l -v
   • wsl –shutdown
   • vim ~/.wslconfig
     • [wsl2]
     • kernel=D:\project\vmlinux
   • wsl -d ubuntu

3. 查看 2 次的uname -a，发现 kernel 版本已经变了

替换 WSL 的用户空间

1. 将 rootfs 打包：tar -zcvf ../initramfs.tar.gz .
2. 拷贝到 Windows 下的路径
3. wsl –import mylinux D:\project\wsl_mylinux D:\project\initramfs.tar.gz
4. wsl -d mylinux

编译 ISO 镜像文件

1. sudo apt install isolinux syslinux genisoimage
2. make isoimage FDARGS=”initrd=../initramfs.cpio.gz console=ttyS0” FDINITRD=../initramfs.cpio.gz
3. qemu-system-x86_64 -cdrom arch/x86/boot/image.iso -nographic

编译 hd 镜像文件

和编译 ISO 基本是一样的

1. sudo apt install ovmf（安装了还是找不到*** Need a shell.efi file for x64, please install EDK2/OVMF.）
2. make hdimage FDARGS=”initrd=../initramfs.cpio.gz console=ttyS0” FDINITRD=../initramfs.cpio.gz
3. qemu-system-x86_64 -hda arch/x86/boot/hdimage -nographic

但是安装 ovmf 后还是没有 shell.efi 这个东西，似乎是 ubuntu 的已知问题，于是源码下载，发现 master 分支没有这个文件，只能通过已有的 release 链接下载：

• wget https://github.com/tianocore/edk2/blob/UDK2018/ShellBinPkg/UefiShell/X64/Shell.efi（无效）
• wget https://github.com/tianocore/edk2/raw/UDK2018/ShellBinPkg/UefiShell/X64/Shell.efi

GitHub 的 blob URL 会返回一个 HTML 页面（包含代码渲染），而不是二进制文件 Shell.efi。所以下载还是要用 raw 的。

• sudo cp Shell.efi /usr/share/OVMF

但是编译好 hdimage 后，还是无法通过 qemu 来测试，因为没有 bootloader，需要自己制作。直接使用 qemu 就会出现 Boot failed: not a bootable disk 的问题。

具体的制作脚本可以参考：https://github.com/masteryi-0018/software-notes/blob/main/shell/test.sh

通过qemu-system-x86_64 -hda hd.img --nographic成功启动！但是话说回来，其实并没有 hdimage 什么事。

编译 seabios

• git clone https://git.seabios.org/seabios.git（这个比较慢）
• git clone git@github.com:coreboot/seabios.git（github 镜像，快一些）

1. 命令

   • cd seabios
   • make
   • qemu-system-x86_64 -bios out/bios.bin –nographic

这时候就可以用自己的 bios 和自己制作的带有 bootloader 的 linux os 来测试了：

• qemu-system-x86_64 -hda hd.img -bios seabios/out/bios.bin –nographic

问题

1. 为什么不能 apt install busybox？如果这样安装的话，会有依赖本地的动态库：

   • $: ldd /usr/bin/busybox
   • linux-vdso.so.1 (0x00007fff0cff3000)
   • libresolv.so.2 => /lib/x86_64-linux-gnu/libresolv.so.2 (0x00007f8b0c435000)
   • libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f8b0c243000)
   • /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f8b0c514000)

2. 为什么需要手动设置 busybox？如果动态链接，还是有一样的问题；tc 这个是头文件，我也懒得继续 debug 了

安装操作系统

也就是通常讲的装系统，普罗大众会接触到的概念。给一个电脑安装操作系统，或者重装操作系统，最通常的情况是制作 U 盘启动盘。我们一般在另一个可以运行的电脑上下载对应的操作系统，这里一般是 ISO，也就是镜像，这个镜像也不直接搞到对应电脑的硬盘中，所以我们用 U 盘是最省事的，但是这个 ISO 不能直接使用，需要将 U 盘制作为启动盘之后才可以使用。

启动盘的作用和以前使用光盘启动是类似的，只不过更加方便，直接将 ISO 解压到 U 盘不能用，因为这个引导程序（Bootloader）没有被放置在正确的位置上，导致无法被识别为一个操作系统。

在编译 linux kernel 的时候，有几个选项：

1. fd（软盘）
2. hd（硬盘）
3. cdrom（光盘）

这里的 cdrom 会强制安装 bios 到 iso 中，也就是解压后能看到的isolinux.bin和isolinux.cfg，这个 bin 和 seabios 的 out.bin 不是一个概念的东西，bios.bin 会执行 isolinux.bin，相当于光盘的 Bootloader。

使用 qwmu 仿真的时候，也有几个对应的选项：

1. kernel + initrd
2. fda
3. hda
4. cdrom

这里 cdrom 就是对应光盘，现在使用较少，而 hd 就是对应硬盘，U 盘启动盘就是模拟硬盘的；又因为光盘和 U 盘天生不同，光盘是 ROM，在刻录时，ISO 镜像的引导信息会自动写入光盘的引导扇区，因此，只要直接刻录完整的系统 ISO 文件，光盘本身就具备启动能力。U 盘是 RAM，所以需要制作启动盘这一步。

给电脑安装

不论是 PC 或者笔记本，都属于 x86 架构的通用计算机，这里的通用基本是指拥有主板，cpu，gpu，内存，等组件的一个计算机。主板是哪个厂商的，主板上的 bios 芯片就是哪个厂商已经写好的烧录好的，我们可以制作操作系统启动盘，但也是由这个 bios 进行引导的，也就是我们控制了 bootloader，os 和 kernel 的部分。如果我们需要修改 bios，需要专门写一个 bios，并且通过烧录，移植到主板上面。

上面的示例是 x86 架构的命令，如果是 arm64 架构的命令，有点不一样：

• sudo apt install gcc-aarch64-linux-gnu
• make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- defconfig
• 下面如果不加 Image 会全部编译，目前 intel 有报错
• make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- -j$(nproc) Image
• qemu-system-aarch64 -kernel arch/arm64/boot/Image -machine virt -cpu cortex-a57 -nographic -append “console=ttyAMA0”，append 可以不加

如果是 arm32 位的:

• sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabihf
• make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- vexpress_defconfig
• make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j$(nproc) zImage modules dtbs，后面的不加好像也行
• qemu-system-arm -kernel arch/arm/boot/zImage -dtb arch/arm/boot/dts/arm/vexpress-v2p-ca9.dtb -machine vexpress-a9 -nographic -append “console=ttyAMA0”，append 可以不加

为什么 arm32 需要指定 dtb？在 ARM 架构中，设备树是内核识别硬件配置的唯一方式。与 x86 架构不同（通过 BIOS/ACPI 自动检测硬件），ARM 架构没有自动硬件检测机制，依赖设备树二进制文件（DTB）描述 CPU、内存、外设等所有硬件信息，没有 DTB 时，内核完全”看不见”任何硬件，包括串口控制台。所以没有任何输出。

通过以下命令查看 dtb

• ls arch/arm/boot/dts/*/*.dtb
• ls arch/arm64/boot/dts/*/*.dtb

在 ARM64 (AArch64) 架构下使用 QEMU 启动时不需要显式指定 DTB 参数，这与 ARM32 不同，因为 QEMU 的 virt 机器类型（-machine virt）会自动生成设备树并传递给内核

为什么 arm64 需要指定 cpu 参数？ARM32：QEMU 的 vexpress-a9 等机器有默认 CPU（如 cortex-a9），不指定时仍能工作。ARM64：virt 机器没有默认 CPU，必须显式指定，否则 QEMU 无法创建有效的虚拟硬件环境。

还有一个有趣的 config，这个 config 可以用 arm32 和 arm64 来仿真：

• make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- multi_v7_defconfig
• make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j$(nproc)
• （optional）qemu-system-arm -kernel arch/arm/boot/zImage -dtb arch/arm/boot/dts/arm/vexpress-v2p-ca9.dtb -machine vexpress-a9 -nographic
• （optional）qemu-system-aarch64 -kernel arch/arm64/boot/Image -machine virt -cpu cortex-a57 -nographic

给手机安装

手机从概念上面讲，甚至是一个广义的嵌入式设备，我的理解就是以 SoC 为主导的主板高度集成，手机的 bios/uefi 也在 SoC 上只读，之后进入存储分区，开始 bootloader 以及 Android 的加载。但是手机厂商一般会将 bootloader 上锁，只有解锁了之后，才能有 root 权限，才能使用已有的 bios/uefi 安装自己的操作系统，很折腾。

给树莓派安装

计算机可以这么分：

• 通用计算机：PC，笔记本
• SBC（单板计算机）：树莓派，nv jetson 等。有操作系统，实际上是一个微型计算机。除了 cpu 还有 gpu 的一个 soc
• MCU（单片机）：stm32，adruino。无操作系统，软件需要烧录运行

还有一些其他的：

• fpga：Xilinx 的一些板子（Spartan 系列，Artix 系列，Kintex 系列，Virtex 系列）
• SoC：zynq 系列，也是 Xilinx 的，但是使用了 arm+fpga 的异构体系
• ACAP：Versal 系列，自适应计算加速平台，感觉是加强版的 SoC，使用了 arm+fpga+AIE 的异构体系

树莓派可以安装官方的操作系统，也可以安装 ubuntu 等 linux 发行版，所以应该也可以安装自己编译的 linux 系统，但不同的是，树莓派也是基于 arm 的架构，和手机一样，基于 arm 架构没有传统意义的 bios/uefi，叫做 bootrom，但实际上也一样，以后也就用 bios 指代这个启动过程。

使用 linux 官方的 kernel

1. 编译 linux kernel

   • 查看 linux kernel 支持的树莓派 config，ls arch/arm/configs/*bcm*
   • 发现只有一个 bcm2835_defconfig
   • 安装依赖：sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabihf
   • make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bcm2835_defconfig
   • make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j$(nproc)

2. 使用 qemu 仿真

   • sudo apt install qemu-system-arm
   • qemu-system-arm -kernel arch/arm/boot/zImage -machine raspi2 -dtb arch/arm/boot/dts/broadcom/bcm2836-rpi-2-b.dtb -nographic
   • qemu-system-arm -kernel arch/arm/boot/zImage -machine raspi2 -dtb arch/arm/boot/dts/broadcom/bcm2837-rpi-2-b.dtb -nographic
   • qemu-system-arm -kernel arch/arm/boot/zImage -machine raspi2 -dtb arch/arm/boot/dts/broadcom/bcm2837-rpi-cm3-io3.dtb -nographic
   • 推荐直接用 qemu-system-aarch64，其兼容 arm
   • 或者使用 win 下的 qemu，qemu-system-arm.exe -kernel arch/arm/boot/zImage -machine raspi2b -dtb arch/arm/boot/dts/broadcom/bcm2836-rpi-2-b.dtb。同样推荐用 qemu-system-aarch64.exe，其兼容 arm
   • 经过实验，只有 2 系列是 ok 的

其他的系列，比如0, 1ap是因为 QEMU 的 raspi1ap 串口初始化时序问题，需要强制指定早期串口参数：-append “console=ttyAMA0,115200 earlycon=pl011,0x20201000 loglevel=8”

1. 使用 qemu 仿真其他树莓派型号

   • （0 系列：bcm2835-rpi-zero-w.dtb，bcm2835-rpi-zero.dtb，bcm2837-rpi-zero-2-w.dtb）
   • qemu-system-arm.exe -kernel arch/arm/boot/zImage -machine raspi0 -dtb arch/arm/boot/dts/broadcom/bcm2835-rpi-zero-w.dtb -append “console=ttyAMA0, earlycon=pl011,0x20201000”
   • （1 系列：bcm2835-rpi-a-plus.dtb，bcm2835-rpi-a.dtb，bcm2835-rpi-b-plus.dtb，bcm2835-rpi-b-rev2.dtb，bcm2835-rpi-b.dtb，bcm2835-rpi-cm1-io1.dtb）
   • qemu-system-arm.exe -kernel arch/arm/boot/zImage -machine raspi1ap -dtb arch/arm/boot/dts/broadcom/bcm2835-rpi-a-plus.dtb -append “console=ttyAMA0, earlycon=pl011,0x20201000”
   • (3 系列：未知原因无输出，可能本身这个 config 就不支持)

使用 raspi 的 kernel

参考文档：https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/linux_kernel.html#cross-compile-the-kernel

1. 编译 linux kernel

   • 这里编译一个 64 位的，按照官网的说明
   • KERNEL=kernel8
   • make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- bcm2711_defconfig
   • make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- Image modules dtbs

2. 使用 qemu 仿真，以上命令编译的产物可以在 64 位 3 和 4 上运行

   • qemu-system-aarch64.exe -kernel arch/arm64/boot/Image -machine raspi4b -dtb arch/arm64/boot/dts/broadcom/bcm2711-rpi-4-b.dtb -nographic -append “console=ttyAMA0,115200 earlycon=pl011,0xfe201000 loglevel=8”
   • qemu-system-aarch64.exe -kernel arch/arm64/boot/Image -machine raspi3b -dtb arch/arm64/boot/dts/broadcom/bcm2710-rpi-3-b.dtb

这里 4b 也是有问题，用图形界面的时候就是显示正常的，使用-nographic后必须再显示指定一下串口。

使用 raspi 的 os

从官网下载了 os，注意不需要下载图形界面之类的。解压得到 img，设置为 loop 设备，挂载，找到 kernel 文件和 dtb 文件，仿真

命令：https://github.com/masteryi-0018/software-notes/blob/main/shell/raspi-linux/test.sh

启动过程

• 上电
• BIOS/UEFI：烧录在主板 bios 芯片，执行 POST（硬件自检）等
• bootloader：lilo/grub，位于 os 镜像中，执行加载 kernel
• kernel：接管资源，执行 init 进程，暴露 shell 给用户