linux内核编译与虚拟机启动

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本文将针对AArch64平台进行linux内核编译，并使用qemu虚拟机运行linux内核1。

工具链准备

为了编译linux内核，需要准备相关的构建工具链，我们要编译AArch64平台的，所以需要安装aarch64-linux-gnu-编译工具链

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sudo apt install gcc-aarch64-linux-gnu

编译busybox（根文件系统）

busybox是一个广泛应用于嵌入式linux的工具箱，集成了一些很常用的linux命令，我们首先需要编译一个busybox做准备，然后作为rootfs进行加载，从而使用户迅速方便地构建相对完整、功能丰富的文件系统。点击此处下载对应busybox版本，下载解压后，进入对应的目录下，然后执行如下指令

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mkdir build
make O=build ARCH=arm64 defconfig
make O=build ARCH=arm64 menuconfig

在弹出的配置菜单中，在[settings]里修改如下配置：

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[*] Don't use /usr
[*] Build static binary (no shared libs)
(aarch64-linux-gnu-) Cross compiler prefix

运行如下命令：

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make O=build # -j16
make O=build install

进入build/_install目录下，该目录结构为：

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$ tree -L 1 .
.
├── bin
├── linuxrc -> bin/busybox
└── sbin

2 directories, 1 file

创建一些空的目录作为rootfs中的目录

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mkdir -pv {etc,proc,sys,usr/{bin,sbin}}

创建一个init文件并执行chmod +x init，该文件将会在系统启动后执行：

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#!/bin/sh

mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys

echo -e "\nBoot took $(cut -d' ' -f1 /proc/uptime) seconds\n"

exec /bin/sh

此时build/_install目录如下：

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$ tree -L 1 .
.
├── bin
├── etc
├── init
├── linuxrc -> bin/busybox
├── proc
├── sbin
├── sys
└── usr

6 directories, 2 files

将上述目录与文件进行打包：

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find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip > ../initramfs.cpio.gz

生成的cpio映像位于build目录下，实际就是将initramfs打包成了cpio格式的压缩包。

编译最小配置的linux内核

在kernel下载适当版本的内核源码并解压，然后执行如下命令：

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cd linux-5.10.127   # 这里选择长期支持版本的5.10内核
mkdir build

make O=build ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- allnoconfig
make O=build ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- menuconfig

这会首先初始化一个最小的配置（allnoconfig），然后打开配置菜单。在配置菜单中做以下修改：

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-> General setup
[*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support

-> General setup
  -> Configure standard kernel features
[*] Enable support for printk

-> Executable file formats / Emulations
[*] Kernel support for ELF binaries
[*] Kernel support for scripts starting with #!

-> Device Drivers
  -> Generic Driver Options
[*] Maintain a devtmpfs filesystem to mount at /dev
[*]   Automount devtmpfs at /dev, after the kernel mounted the rootfs

-> Device Drivers
  -> Character devices
[*] Enable TTY

-> Device Drivers
  -> Character devices
    -> Serial drivers
[*] ARM AMBA PL010 serial port support
[*]   Support for console on AMBA serial port
[*] ARM AMBA PL011 serial port support
[*]   Support for console on AMBA serial port

-> File systems
  -> Pseudo filesystems
[*] /proc file system support
[*] sysfs file system support

完成后保存并退出，再运行：

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make O=build ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- # -j16

编译完成后有两个东西比较有用，一个是build/vmlinux，ELF格式的内核，可以在GDB中加载调试信息。另一个是build/arch/arm64/boot/Image，是可以加载的内核镜像文件。

qemu启动

在ubuntu上执行如下命令安装对应架构的qemu

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apt install qemu-system-arm

创建一个qemu文件夹，将上面编译好的Image和initramfs.cpio.gz拷贝到qemu文件夹下，然后执行如下脚本：

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qemu-system-aarch64 \
    -machine virt -cpu cortex-a72 -smp 4 -m 2G \    # 4个cortex-a72 CPU，2GB内存
    -kernel ./Image \
    -append "console=ttyAMA0" \
    -initrd ./initramfs.cpio.gz \
    -nographic

系统启动非常快，用了不到1秒中

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Booting Linux on physical CPU 0x0000000000 [0x410fd083]
Linux version 5.10.127 (root@hecs-198689) (aarch64-linux-gnu-gcc (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1) 9.4.0, GNU ld (GNU Binutils for Ubuntu) 2.34) #1 SMP Wed Jun 29 21:48:32 CST 2022
... 省略若干启动信息
Run /init as init process

Boot took 0.51 seconds

/bin/sh: can't access tty; job control turned off

启动后可以看到位于我们打包的busybox文件夹下：

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/ # ls
bin      etc      linuxrc  root     sys
dev      init     proc     sbin     usr

可以执行一些简单的命令：

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/ # top
Mem: 13660K used, 2042812K free, 0K shrd, 0K buff, 3592K cached
CPU:  0.0% usr  0.0% sys  0.0% nic 99.9% idle  0.0% io  0.0% irq  0.0% sirq
Load average: 0.00 0.00 0.00 1/55 59
  PID  PPID USER     STAT   VSZ %VSZ CPU %CPU COMMAND
   59     1 0        R     2284  0.1   1  0.0 top
    1     0 0        S     2284  0.1   0  0.0 /bin/sh
   14     2 0        SW       0  0.0   1  0.0 [migration/1]
   34     2 0        SW       0  0.0   5  0.0 [migration/5]

/ # free
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:        2056472        9728     2042568           0        4176     2033024
Swap:             0           0           0

使用ctrl a + x可以关闭qemu

参考文献

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