linux內核開發基礎（linux內核源碼、樹莓派源碼編譯、SD卡掛載）

首先下載樹莓派linux內核源碼：

  • 下載網址：https://github.com/raspberrypi/linux
  • 在樹莓派使用指令：uname -r查看當前樹莓派的版本號，然后選擇對應的linux內核版本號進行下載。
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  • 將linux內核源碼從共享文件夾拷貝到SYSTEM文件夾：cp linux-rpi-4.19.y.zip /home/fhn/SYSTEM/然后使用指令對該壓縮文件進行解壓：unzip linux-rpi-4.19.y.zip
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樹莓派等芯片帶操作系統的啟動過程：

之前學習的51和32（裸機）是直接使用C語言操控底層寄存器實現相關業務，這是業務流程型（就是設備有什么功能，要實現什么功能）裸機代碼，而linux的BootLoader是超級裸機（BootLoader的主要作用是引導操作系統啟動），BootLoader： 剛開始一階段學習就是讓CPU和內存、FLASH、串口、IIC、IIS、數據段打交道，就是驅動這些設備（主要用到匯編和C）；二階段就是對于引導linux內核啟動（純C）。X86架構（比如：Intel），跑的是windows操作系統，上電啟動的時候： 首先是啟動BIOS然后是啟動windows內核，然后就是加載C、D等盤，最后是啟動應用程序。對于其他的嵌入式產品（比如：樹莓派、mini24440、mini6410、nanopi、海思、RK（瑞芯微）），這些產品上電后啟動過程是：首先啟動BootLoader（相當于windows的BIOS吧，但這里叫做BootLoader），然后引導linux內核，linux內核啟動完成后就是加載文件系統（和C、D盤不太一樣，在linux下是根據功能性來組織文件夾，帶訪問權限（這就是linux文件系統），就是根目錄下的那些東西，可以使用指令：cd / 進入），文件系統起來以后才能跑應用程序（比如：KTV點歌機界面等）。BootLoader、linux內核、文件系統構成操作系統，就像之前所說的在目的平臺還沒有建立的時候，需要通過交叉編譯讓這些東西可以使用。 安卓的啟動過程： 有很多嵌入式設備都開始運行安卓操作系統，首先硬件上電后，啟動fastboot（也叫BootLoader，意思和BootLoader一樣），然后引導linux內核，linux內核起來以后加載文件系統（因為底層還是linux），文件系統起來以后開始跑一個運行java代碼的虛擬機，虛擬機起來以后開始運行home應用程序（就相當于手機的界面），點擊home界面的某圖標就可以打開相應的app。

  • 簡單介紹，根目錄下一些文件夾存放的東西，在嵌入式體統中，為了精簡系統。/bin，/dev，/etc，/lib，/proc，/var，/usr 對于根文件系統來說是必須具有的，其他目錄都是可選的。首先使用指令：cd /進入到根目錄，然后可以看到下面的一些文件夾。這篇博文更詳細

  • dev： 該目錄下存放的是設備文件，設備文件是Linux中特有的文件類型。在Linux系統下，以文件的方式訪問各種設備，即通過讀寫某個設備文件操作某個具體硬件。譬如通過"dev/ttySAC0"文件可以操作串口0。（在linux下一切皆文件，就像之前樹莓派的串口就是存放在dev下面）

  • lib： 該目錄下存放共享庫和可加載驅動程序模塊。共享庫用于啟動系統、支持可執行程序的運行。

  • etc： 該目錄下存放著各種配置文件，對于PC上的Linux系統，/etc目錄下的文件和目錄非常多，這些目錄文件是可選的，它們依賴于系統中所擁有的應用程序是否需要配置文件。在嵌入式系統中，這些內容可以大為精減。

  • root： 根用戶的目錄，與此對應，普通用戶的目錄是/home下的某個子目錄。

  • usr： 該目錄存放的是共享、只讀的程序和數據，/usr目錄下的內容可以在多個主機間共享。

  • var： 與/usr目錄相反，/var目錄中存放可變的數據，比如spool目錄（mail,news），log文件，臨時文件。

  • proc： 該是一個空目錄，常作為proc文件系統的掛載點，proc文件系統是個虛擬的文件系統，它沒有實際的存儲設備，里面的文件都是由內核臨時生成的，用來表示系統的運行狀態，也可以操作其中的文件控制系統。

  • mnt： 用于臨時掛載某個文件系統的掛接點，通常是空目錄，也可以在里面創建子目錄來臨時掛載光盤、硬盤，譬如/mnt/cdram /mnt/hda1 。

  • home： 用戶目錄，它是可選的，對于每個普通用戶，在/home目錄下都有一個以用戶名命名的子目錄，里面存放用戶相關的配置文件

  • opt： 存放的是和內核底層有些關系的東西

  • bin： 該目錄下存放所有用戶都可以使用的、基本的命令，譬如cd，ls，cp等。這些命令在掛載其它文件系統之前就可以使用，所以/bin目錄必須和根文件系統在同一個分區中，比如：which ls可以查找ls指令的路徑

  • sbin： 該目錄下存放的是基本的系統命令，它們用于啟動系統，修復系統等，與/bin目錄相似，在掛接其他文件系統之前就可以使用/sbin，所以/sbin目錄必須和根文件系統在同一個分區中

  • boot： 存放的是啟動時候的一些數據，包括啟動的時候加載的內容、一些命令和命令行的配置等等。

  • tmp： 用于存放臨時文件，通常是空目錄，一些需要生成臨時文件的程序用到的/tmp目錄下，所以/tmp目錄必須存在并可以訪問。

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linux內核源碼樹：其實就是目錄的組織形式

  • 找到之前下載的linux內核源碼
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  • 使用tree指令，在以后做第三方工具安裝的時候會去檢查包里面的內容是否完整，或者是有一個文件夾目錄下文件比較多的時候使用tree指令方便查看，然后如果出現識別不了表示沒有下載，然后使用指令sudo apt install tree進行下載。
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  • linux內核大約有1.3w個c文件，1100w行代碼，是因為linux是一個開源的，支持多架構多平臺代碼，可移植性非常高。但是linux內核編譯出來一般就若干M，因為支持多平臺，多架構，所以編譯之前要配置，配置成適合目標平臺來用。代碼編譯出來是給一個平臺一個架構來用的，很多代碼是不參與編譯的。例如：ARM架構（海思、RK、樹莓派、nanoPi）、X86架構、powerpc、mips等等架構

Linux內核源代碼目錄樹結構：
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  • arch：包含和硬件體系結構相關的代碼，每種平臺占一個相應的目錄。和32位PC相關的代碼存放在i386目錄下，其中比較重要的包括kernel（內核核心部分）、mm（內存管理）、math-emu（浮點單元仿真）、lib（硬件相關工具函數）、boot（引導程序）、pci（PCI總線）和power（CPU相關狀態）。進入arm這個文件夾，這個里面存放的是arm架構相關的設備。mach表示架構相關的，mach-exynos： 是三星公司的架構； mach-hisi ： 是海思公司的架構，就單單arm架構下就有很多公司的架構。
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  • block：部分塊設備（跟存儲設備相關的，像內存、flash等）驅動程序。

  • crypto：常用加密和散列算法（如AES、SHA等），還有一些壓縮和CRC校驗算法。

  • Documentation：關于內核各部分的通用解釋和注釋。

  • drivers：設備驅動程序，每個不同的驅動占用一個子目錄。

  • fs：各種支持的文件系統，如ext、fat、ntfs等。

  • include：頭文件。其中，和系統相關的頭文件被放置在linux子目錄下。

  • init：內核初始化代碼（注意不是系統引導代碼）。

  • ipc：進程間通信的代碼（之前學習的進程間通信：管道、消息隊列、共享內存，在調用的時候都會觸發一個異常，系統調用然后進入到內核態。那些API就是支配內核干活）。

  • kernel：內核的最核心部分，包括進程調度、定時器等，和平臺相關的一部分代碼放在arch/*/kernel目錄下，根目錄下的kernel一般都放一些通用的內核的最核心部分，包括進程調度、定時器的代碼。

  • lib：庫文件代碼。

  • mm：內存管理代碼，和平臺相關的一部分代碼放在arch/*/mm目錄下。

  • net：網絡相關代碼，實現了各種常見的網絡協議。

  • scripts：用于配置內核文件的腳本文件。

  • security：主要是一個SELinux的模塊。

  • sound：常用音頻設備的驅動程序等。

  • usr：實現了一個cpio（cpio就是復制入和復制出的意思。cpio可以向一個歸檔文件（或單個文件）復制文件、列表，還可以從中提取文件）。

  • 在i386體系下，系統引導將從arch/i386/kernel/head.s開始執行，并進而轉移到init/main.c中的main()函數初始化內核。

配置Linux內核適合樹莓派相關操作：

以后可能涉及驅動代碼的編寫，驅動代碼的編譯需要一個提前編譯好的內核，編譯內核就需要對內核進行配置。配置的最終目標是生成.config文件，該文件指導Makefile去把有用的東西組織成內核。配置的方式有以下幾種方式：

  • 第一種方式：廠家會配Linux內核源碼，比如說：買了樹莓派，廠家會提供Linux內核源碼，然后這樣就可以將廠家的.config文件里面的代碼拷貝到要生成的.config文件即可。進入到Linux內核文件夾下，然后使用指令find . -name *defconfig查找以defconfig結尾的文件。比如樹莓派的2和3就是使用的下圖的bcm2709_defconfig，然后只需要將它拷貝到要生成的.config文件。
  • 第二種方式：使用make menuconfig(menuconfig、defconfig都是用來配置內核的)一項項配置，通常是基于廠家的config來配置。
  • 第三種方式：完全自己來。
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樹莓派內核編譯：

  • 首先配置好ubuntu交叉編譯的環境，環境的搭建在另一篇文章有配置過程。

  • 然后開始配置config，linux源碼中有很多工程：樹莓派1的工程是bcmrpi_defconfig；樹莓派2、3的工程是bcm2709_defconfig。配置過程如下：

  • 使用源碼里面自帶的configARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make bcm2709_defconfig此命令功能是獲取bcm2709_defconfig的配置到 .config里。這行命令的意思是：指定arch（架構）是arm架構的-------ARCH=arm ；指定編譯器是系統里面arm-linux-gnueabihf-這個編譯器，這就是之前配好的交叉編譯器--------CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- ；指定樹莓派的kernel樹莓派里面特別指定的---------KERNEL=kernel7；用的config是bcm2709_defconfig所以是-------make bcm2709_defconfig,這就相當于直接拷貝廠家的config到.config。

  • 如果使用指令：ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make bcm2709_defconfig出現下圖報錯，則表示該錯誤的原因是缺少某些需要的庫，需要安裝一下需要的庫就行了，sudo apt-get install bison，sudo apt-get install flex，如果在安裝上面庫時提示找不到安裝庫，就需要更新一下source addr，sudo apt-get update #更新；sudo apt-get upgrade #升級，需要用update更新完才能upgrade；更詳細的，請 $man apt-get，記錄更新源的文件：/etc/apt/sources.list，默認sources.list中的更新源為官方的，下載速度慢，從而需要尋找符合自己需要的更新源。
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  • 出現下圖表示復制成功，configuration written to .config
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  • 如果想要添加某些驅動進來，就要：ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make menuconfig，如果沒什么改的就不用執行這一步。這時候它就會讀取現有.config，給menuconfig做一些基本的項的填充。出現下圖錯誤表示沒有ncurses 庫，要進行安裝：sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev，sudo apt-get install libc6-i386 lib32stdc++6 lib32gcc1 lib32ncurses5，編譯的時候還會用到一些其他的必要的庫需要進行安裝：sudo apt-get install bc，sudo apt-get install zlib1g:i386
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  • 執行完執行menuconfig會出現以下Ncurses界面，一般就是在Device Drivers進行設備驅動的配置，用方向鍵操作，用enter表示確定選擇， Pressin < Y > includes表示要將前面帶< Y >的編譯進了內核，< M > modularizes features意思都是模塊化特性，表示驅動以模塊的方式生成驅動文件。< N >表示不需要的略過的就是下圖的< >。驅動兩種加載方式：① * 編譯進內核 zImage包含了驅動 ②M 驅動以模塊方式生成驅動文件（xxx.ko）系統啟動后，通過命令inmosd xxx.ko加載，下圖的< * >就是< Y >。在這個Ncurses界面可以使用空格切換< >中的選項。
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  • 我們可以直接用工程里的配置，但這樣的話可能會丟失原來使用的樹莓派的配置，這里提供一個方法可以獲取當前正在使用的樹莓派的config。獲取當前樹莓派的config，已經開機的樹莓派上會有這個節點：/proc/config.gz，從這個節點可以獲取本樹莓派的config。如果沒有這個節點的話則需要先加載模塊：sudo modprobe configs把 config.gz 內容復制到要編譯的電腦上：scp pi@[ip]:/proc/config.gz .解壓，保存為.confg文件。zcat config.gz > .config注：必須在linux環境下解壓，在mac下會亂碼。把此config文件復制到linux源碼的根目錄，這種方法我沒嘗試過。

已經生成.config文件了，然后就可以該文件指導Makefile去把有用的東西組織成內核：

  • 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是錯誤處理可以不關心不要。make -j4 zImage modules dtbs這段指令中的-j4是指定電腦（虛擬機）用多少的資源來編譯，4表示4線程。zImage表示要生成zImage（內核鏡像）；modules表示要生成驅動模塊；dtbs表示要生成配置文件等等。我編譯的過程出現以下錯誤：原因是：都是沒有安裝libssl-dev～，libssl-dev包含libraries, header files and manpages，他是openssl的一部分，而openssl對ssl進行了實現。解決方案：使用sudo apt-get install libssl-dev來安裝libssl-dev即可，這個編譯過程大概持續20分鐘。
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  • 在編譯過程中沒有報錯，并且在linux源碼樹目錄下生成vmlinx，vmlinux是沒有壓縮的linux，而真正生成的linux內核是在arch/arm/boot下面的zImage
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  • 編譯完成后就需要將編譯后linux內核放到樹莓派去運行，首先將zImage文件打包，直接用linux源碼包（要在linux源碼包下執行）里的工具：./scripts/mkknlimg arch/arm/boot/zImage ./kernel_new.img在本目錄生成一個kernel_new.img文件，這個文件就是要放到sd卡中的文件。scripts文件夾下面存放的是一些腳本文件，這里的mkknlimg會將zImage打包成kernel_new.img。注：網上很多地方說的用tools/mkimage/imagetool-uncompressd.py 的方法不行！！
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  • dmesg是查看底層的硬件信息。當有設備接入的時候，內核會打印設備驅動的一些東西。可使用該指令查看U盤是否接入到ubuntu，并且可以看到SD的兩個分區：sdb1（boot）和sdb2（根目錄相關文件）。
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  • 掛載樹莓派sd卡，并安裝編譯出的DIRECTLY 到sd卡： 把樹莓派的sd卡插入ubuntu系統電腦，樹莓派的sd卡有兩個分區：一個fat分區，是boot相關的內容，kernel的img文件就放在這個分區里；一個是ext4分區，也就是系統的根目錄分區。我們生成的文件涉及到這兩個分區的內容，一般插入ubuntu后會自動掛載，fat分區可以不用root權限操作，ext4分區需要root權限操作。兩個分區具體掛載在什么地方可以自己決定，以下用[fat]表示boot掛載的路徑，[ext4]表示ext4掛載的路徑。自己創建兩個文件夾：fat和ext4

  • 掛載U盤： sudo mount /dev/sdb1 fat將內存卡中的sdb1掛載到fat文件夾夾，這樣fat里面就有sdb1（boot相關）的內容了，sudo mount /dev/sdb2 ext4將內存卡中的sdb2（根目錄分區）掛載到fat文件夾夾，這樣fat里面就有sdb1的內容了
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  • 掛載分區后，安裝modules：sudo ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make INSTALL_MOD_PATH=[ext4] modules_install 執行指令需要進入到源碼下的那個文件夾。操作ext4分區，需要root權限（因為是安裝到根目錄分區）。自己創建的文件夾名稱不同，就將對應的[ext4]換成自己掛載根目錄分區的文件夾路徑即可。在這過程中會生成好多xxx.ko文件（HDMI、usb、wifi、io等的驅動），如果少了這步操作那些設備可能不會正常工作。下圖表示安裝成功：
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  • 更新 kernel.img 文件： 在更新之前可以選擇先備份鏡像（注意鏡像的名字是kernel7.img），使用指令：cp kernel7.img kernel7oled.img，下面對于更新有兩種方式：①前面已經用mkknlimg 工具打包了kernel_new.img文件了，把它復制到boot分區并配置使用即可：cp kernel_new.img [fat]/,編輯 [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內核鏡像是kernel_new.img）。②因為前面已經備份了kernel7.img所以可以直接將 kernel_new.img的內容復制到kernel7.img將原有的東西覆蓋掉：cp kernel_new.img /home/fhn/fat/kernel7.img。拷貝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查看原鏡像的MD5值（每個文件都有它唯一的編碼號就是md5的值），然后再查看拷貝后的鏡像的MD5值進行比較，若拷貝過程中文件沒有損壞，則md5的值相同，否則可能在拷貝過程中文件損壞。
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  • 復制其他相關文件（配置文件，是為了加載驅動和其他配置文件）： cp arch/arm/boot/dts/.*dtb* [fat]/將[fat]換成自己內存卡boot分區掛載的對應的路徑，cp arch/arm/boot/dts/overlays/.*dtb* [fat]/overlays/、cp arch/arm/boot/dts/overlays/README [fat]/overlays/這兩個指令同上也需要將[fat]換成自己內存卡boot分區掛載的對應的路徑。

  • 以上內容配置完成后，然后修改config.txt和cmdline.txt文件里面的內容，通過串口觀察系統的啟動過程。

  • 更新完成后插回樹莓派即可開機，開機后可以用 uname -a 命令查看kernel信息已經改變。和從官網下載的內核版本相同。
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  • 樹莓派內核編譯部分參考博文

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1.git config --global user.email "mybimt.com"　　//注冊本地環境 2.ssh-keygen -t rsa -C "mybimt.com" //生成本機的key 3.在gitlab加入.ssh中生成的key //gitlab中注冊本機 4.git clone gitmy.git …
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