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编译内核

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重新来梳理一下内核编译。

简单粗暴的选择 SOC / 开发板厂商所提供的内核是明智的。

编译内核和编译 U-boot 类似，都是以下 3 个步骤：

  1. 引用默认配置
  2. 在配置上做修改
  3. 编译得到镜像文件

内核文件分布

  • arch：与不同架构相关的文件
  • Documentation：内核相关文档，虽然有些文档很老了，但是依然是第一参考资料。
  • drivers：设备驱动
  • fs：文件系统
  • include：内核头文件
  • init：内核启动相关代码
  • kernel：内核核心代码，包括调度、锁、定时器、电源管理、调试代码。
  • mm：内存管理
  • net：网络协议
  • scripts：很有用的脚本
  • tools：对开发和检查内核很有用的工具集

KConfig

内核通过Kbuild来读取Kconfig文件进行配置。

Documentation/kbuild对此做了详细解释

  • ARCH：指定要编译的架构

    其值就是在 arch 目录下的子目录名

  • xxxx_defonfig：默认的配置

选项类型

KConfig 的配置具有以下几种类型：

  • bool：其值要么是y要么就是不会被定义

    CONFIG_DEVMEM=y

  • tristate：用于指定一个模块是被设置为模块（m），还是被编译进内核（y）

  • int：10 进制的值

  • hex： 16 进制的值

  • string：字符串值

依赖与选择

depends代表当前选项依赖于其他选项：

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config MTD_CMDLINE_PARTS
    tristate "Command line partition table parsing"
    # 当 CONFIG_MTD 被使能后，当前选项才会被显示
    depends on MTD

select则是用于使能其他选项：

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# 当 ARM 选项被使能时，其他 select 选项指明的选项也会被使能
config ARM
    bool
    default y
    select ARCH_CLOCKSOURCE_DATA
    select ARCH_HAS_DEVMEM_IS_ALLOWED
[…]

使用 menuconfig

使用 menuconfig 需要确保ncurses,flex,bison被安装：

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$ sudo apt install libncurses5-dev flex bison
# 然后便是基于默认配置来进一步配置
$ make ARCH=<arch> <xxx_defconfig> menuconfig

当开始编译内核后，会自动生成include/generated/autoconf.h文件，包含配置文件的宏定义，这是一个很好的用于检查的文件。

标记自己内核的版本

可以通过修改General setup -> Local version来为版本增加自己的后缀。

然后使用make来查看是否生效：

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$ make ARCH=arm kernelrelease

这个输出可以与运行时的 uname 进行对比，以排查是否相同的内核。

编译内核

内核构建系统Kbuild从.config文件中获取配置，然后进行编译。

编译的输出类型

根据不同的 bootloader，其所需要一般内核压缩包是不一样的：

  • U-Boot：一般可以适配uImage和zImage

    $ make -j 4 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf- zImage

  • x86：bzImage

  • 其他的 bootloader：zImage

编译输出内核文件

编译完成后，在顶层目录会有vmlinux和System.map文件。

vmlinux是内核的 ELF 二进制文件，如果使能了CONFIG_DEBUG_INFO，那么此文件将会包含很多调试信息，可以使用kgdb这种工具对内核进行调试。

System.map文件包含内核完整的符号表。

  • Image：vmlinux去掉所有调试信息后的纯净的二进制文件
  • zImage：将Image文件压缩后的文件
  • uImage：zImage加上 64 字节的 U-boot 头

在编译过程中，如果有编译错误，那么可以加上V=1选项来查看编译命令：

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$ make -j 4 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-cortex_a8-linux-
gnueabihf- V=1 zImage

编译设备树

设备树编译的搜寻路径也是arch/$ARCH/boot/dts/，所以编译设备树指定ARCH变量即可：

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$ make ARCH=arm dtbs

编译模块

编译模块和编译内核是一样的，只是指定其编译类型是模块即可：

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$ make -j 4 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf- modules

默认情况下，.ko的模块文件会与源码目录在一起。

可以设置INSTALL_MOD_PATH来指定安装目录，模块会安装在目录的./lib/modules/<kernel_version>文件夹中。

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$ make -j4 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf- \
INSTALL_MOD_PATH=$HOME/rootfs modules_install

清理编译输出

make根下面几种选择来进行清理：

  • clean：删除目标文件和其他中间文件
  • mrproper：删除所有的中间文件，包含.config文件
  • distclean：在mrproper的基础上，删除基本的备份文件、补丁文件等

编译 imx8mm 内核

为了简化编译，这里使用米尔科技的内核分支。

先安装基础包：

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$ sudo apt install -y libssl-dev libelf-dev

首先需要将交叉编译工具链，加入当前 SHELL 的环境变量中：

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$ export PATH=/home/cec/x-tools/aarch64-unknown-linux-gnu/bin:${PATH}

然后按照惯例，先清理一下中间文件：

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$ make distclean

配置常使用的全局变量：

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$ export CROSS_COMPILE=aarch64-unknown-linux-gnu-
$ export ARCH=arm64

接下来为内核指定要编译的构架，及其使用的默认配置：

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$ make myd_imx8mm_defconfig

最后就是编译内核文件、模块、设备树：

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$ make -j8 dtbs Image modules
  • Image文件编译后位于arch/arm64/boot/Image
  • 设备树位于arch/arm64/boot/dts/myir/

编译 bbb 内核

按照以下步骤即可：

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# 清除中间文件
$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf- 
mrproper
# 生成配置文件
$ make ARCH=arm multi_v7_defconfig
# 编译内核
$ make -j4 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-cortex_a8-linux-
gnueabihf- zImage
# 编译模块
$ make -j4 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-cortex_a8-linux-
gnueabihf- modules
# 编译设备树
$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf- 
dtbs

启动内核

当没有文件系统时

当仅启动了内核，而没有文件系统时，就会出现内核panic以表示无法挂载根文件系统：

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[ 1.886379] Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount 
root fs on unknown-block(0,0)
[ 1.895105] ---[ end Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to 
mount root fs on unknown-block(0, 0)

为了将系统从内核态切换到用户态，内核需要挂载根文件系统，然后执行根文件系统中的初始化程序。

这个是开始于执行init/main.c中的rest_init()函数，它会创建一个 PID 为 1 的进程，然后执行kernel_init()。

接着尝试执行/init程序，如果执行失败则会尝试执行prepare_namespace()函数，这个函数会读取root=命令行参数，挂载对应的分区，root命令一般如下：

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root=/dev/<disk name><partition number>
# 或者对于 emmc/sd 设备
root=/dev/<disk name>p<partition number>

挂载成功后，将会依次尝试执行/sbin/init,/etc/init,/bin/init,/bin/sh，其中任何一个执行成功了，后面的便不会被执行了。

当然也可以设定init=参数来指定执行哪个特定的程序。

内核的命令行参数

目标内核的命令行参数都是通过设备树中的bootargs属性来设定了，在Documentation/kernel-parameters.txt有参数的详细说明，下面是一些常用的参数：

  • debug：设置调试信息输出等级，小于该数值的调试信息将被输出

  • init=：在挂载根文件系统后，所运行的init程序路径

  • lpj=：设置loops_per_jiffy以降低开机测试所消耗的时间

  • panic=：当内核出现 panics 时的行为

    小于 0：当出现 panic 则立即重启

    等于 0（默认）：当出现 panic 不重启

    大于 0：当出现 panic 时，等待多少秒后重启

  • quiet：除了紧急信息，其他的调试信息都不输出

  • rdinit=：与init=一致，不过这个是针对 ramdisk的

  • ro：以只读的方式挂载根文件系统

  • root=：指定挂载根文件系统的设备

  • rootdelay=：等待多少秒后才挂载根文件系统，用于等待设备初始化完成

  • rootfstype=：指定根文件系统的类型，默认情况下都是自动检测的

  • rootwait：一直等到设备初始化完毕以后，才挂载根文件系统

  • rw：以读写的方式挂载根文件系统

imx8mm 内核启动

制作启动 SD 卡

从 Uboot 中的启动命令可知：它将在 mmc 的 1 分区中寻找Image文件和对应的设备树。

并且，前面我们将由imx-mkimage打包的 bootloader 拷贝到了 SD 卡的 33K 偏移处，也就是说需要保留这部分裸数据，前面制作好的flash.bin有 1M 多的大小，需要考虑好这个偏移。

  1. 由于 SD 卡是 512 字节的扇区，先用 fdisk 简单粗暴的将第一个分区的起始扇区设为 20480，这样就预留了有 10MB 的空间给 bootloader。

  2. 使用sudo mkfs.vfat /dev/sdd1将分区格式化为 FAT32 格式

  3. 将编译得到的Image和myb-imx8mm-base.dtb拷贝到 SD 卡分区

    这里选择 myb-imx8mm-base.dtb，是因为前面打包 bootloader 也是这个设备树

  4. 修改 U-boot 默认环境变量fdt_file的值为myb-imx8mm-base.dtb，这样才能一一对应

bbb 启动

将编译好的zImage和am335x-boneblack.dtb拷贝到 SD 卡中，启动 u-boot 后。

首先，读取内核到内存：

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fatload mmc 0:1 0x80200000 zImage

然后，读取设备树到内存：

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fatload mmc 0:1 0x80f00000 am335x-boneblack.dtb

设置终端设备：

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setenv bootargs console=ttyO0,115200

使用 bootz 启动：

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bootz 0x80200000 - 0x80f00000