编译并启动 Linux 内核

DCS218 - Operating Systems Lab 2021 Spring

前言

本文章介绍了在 Linux 虚拟机上搭建操作系统内核开发环境、编译 Linux 内核、使用 Qemu 启动内核并开启远程调试、制作Initramfs 并编译并启动 Busybox 的过程。

目的

熟悉现有 Linux 内核的编译过程和启动过程，并在自行编译内核的基础上构建简单应用并启动。
利用精简的 Busybox 工具集构建简单的操作系统，熟悉现代操作系统的构建过程。
熟悉编译环境、相关工具集，并能够实现内核远程调试。

过程

1. 搭建操作系统内核开发环境

由于此前已经在 Vmware Workstation 15.5 Pro 上安装了 Ubuntu 20.04 LTS 64-bit ，故不用推荐的 18.04，问题不大。需要安装的还有：

nasm Netwide Assembler，一款x86汇编和反汇编软件
qemu 可以模拟多种架构处理器
cmake
bison 用于自动生成语法分析器程序
flex 是一个生成词法分析器的工具，它可以利用正则表达式来生成匹配相应字符串的C语言代码
libssl-dev 是 OpenSSL 通用库，Secure Socket Layer 是为了传输敏感数据而提出的协议
libncurses5-dev shared libraries for terminal handling
libc6-dev-i386 32-bit shared libraries for AMD64

2. 编译 Linux 内核

在根目录创建 os2021/lab1 文件夹并进入，到 https://www.kernel.org/ 下载内核 5.10 到文件夹 ~/os2021/lab1。

2021-03-07 00-34-59 的屏幕截图

解压并进入。

 xz -d linux-5.10.20.tar.xz
 tar -xvf linux-5.10.20.tar
 cd linux-5.10.20

将内核编译为 i386 32-bit 版本
```
0
1
 make i386_defconfig
 make menuconfig
```
在打开的图像界面中依次选择 Kernel hacking、Compile-time checks and compiler options，最后在 [ ] Compile the kernel with debug info 输入 Y 勾选，保存退出。

编译内核。
```
0
 make -j8
```
等待内核编译完成，检查Linux压缩镜像 linux-5.10.20/arch/x86/boot/bzImage 和符号表 linux-5.10.20/vmlinux 是否已经生成。

可以看到已经生成了。

3. 启动内核并调试

使用 qemu 启动内核

 qemu-system-i386 -kernel linux-5.10.20/arch/x86/boot/bzImage -s -S -append "console=ttyS0" -nographic

此时 qemu 并未输出任何信息，这是因为我们开启了 gdb 调试，而 qemu 在等待 gdb 输入的指令后才能继续执行。接下来启动 gdb，通过 gdb 来告诉 qemu 应该怎么做。

使用 gdb 开启远程调试

不关闭qemu所在的Terminal，在另外一个 Terminal 下启动 gdb ，加载符号表，连接已经启动的 qemu 进行调试，为 start_kernel 函数设置断点，输入 c 运行。

回到 qemu 的 terminal，输出如下。

发现内核成功启动并最终以 Kernel panic 宣告结束。看到 call trace 打出来的是在 initrd_load 的时候出错，原因很简单，因为启动系统的时候只指定了 bzImage ，没有指定 initrd 文件，系统无法 mount 上 initrd (init ram disk) 及其 initramfs 文件系统。

4. 制作 initramfs

在 lab1 文件夹中新建 helloworld.c 文件，写入以下代码

 #include <stdio.h>
    
 void main()
 {
     printf("lab1: Hello World!\n");
     fflush(stdout);
     while(1);
 }

然后编译为 32-bit 可执行文件。

 gcc -o helloworld -m32 -static helloworld.c

加载 initramfs

用 cpio 打包 initramfs

 echo helloworld | cpio -o --format=newc > hwinitramfs

启动内核并加载 initramfs。

 qemu-system-i386 -kernel linux-5.10.20/arch/x86/boot/bzImage -initrd hwinitramfs -s -S -append "console=ttyS0 rdinit=helloworld" -nographic

2021-03-07 01-54-39 的屏幕截图

重复上面的gdb的调试过程，可以看到gdb中输出了 lab1: Hello World!\n

2021-03-07 01-55-42 的屏幕截图

5. 编译并启动 Busybox

下载 Busybox 到 lab1 并解压。

编译它

 make defconfig
 make menuconfig

2021-03-07 02-06-39 的屏幕截图

进入 settings，然后在 Build static binary(no shared libs) 处输入 Y 勾选，然后分别设置 () Additional CFLAGS 和 () Additional LDFLAGS 为 (-m32 -march=i386) Additional CFLAGS 和 (-m32) Additional LDFLAGS ，保存退出。

编译。
```
0
1
 make -j8
 make install
```

制作Initramfs

将安装在_install目录下的文件和目录取出放在 lab1/mybusybox 处。

initramfs 需要一个 init 程序，可以写一个简单的 shell 脚本作为 init 程序。用 gedit 打开文件 init ，复制入如下内容，保存退出。

 #!/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

2021-03-07 02-19-23 的屏幕截图

加上执行权限。
```
0
 chmod u+x init
```

将 x86-busybox 下面的内容打包归档成 cpio 文件，以供 Linux 内核做 initramfs 启动执行。

 find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ~/os2021/lab1/initramfs-busybox-x86.cpio.gz

加载 busybox

 qemu-system-i386 -kernel linux-5.10.20/arch/x86/boot/bzImage -initrd initramfs-busybox-x86.cpio.gz -nographic -append "console=ttyS0"

2021-03-07 02-24-19 的屏幕截图

内核启动后使用 ls 命令查看当前文件夹。
退出

退出qemu有两种方法，一种是按下 Ctrl+A，然后按 X ，另一种是kill掉它的进程。

总结

学会了搭建 os kernel 开发环境，使用 qemu 启动内核，制作 initramfs ，使内核启动时运行程序，编译启动 Busybox，使用 gdb 远程调试跟踪代码运行，克服了对 Linux 命令行的不熟悉，熟悉了常用的 Linux 命令，学会了 kill 进程。也了解了一点关于操作系统启动的知识。

参考

https://gitee.com/nelsoncheung/sysu-2021-spring-operating-system/tree/main

本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

在 Linux 上构建 OS Kernel 开发环境

前言

目的

过程

1. 搭建操作系统内核开发环境

2. 编译 Linux 内核

3. 启动内核并调试

4. 制作 initramfs

5. 编译并启动 Busybox

总结

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