ARM嵌入式学习（十八）--- Linux的内核编译和启动

进程调度：进程调度控制系统中的多个进程对CPU的访问。
内存管理：内存管理作用是控制多个进程安全地共享主内存区域。
虚拟文件系统：Linux虚拟文件系统隐藏了各种硬件的具体细节，为所有设备提供了统一的接口。
网络接口：网络接口提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。
进程间通信：进程间通信支持进程之间的通信。

3.Linux设备驱动与整个软硬件系统的关系

除了网络设备外，字符设备与块设备都被映射到Linux文件系统的文件和目录。通过调用open、read、write、close等即可访问字符设备和块设备。所以这就是Linux的"一切皆是文件"的思想。

Linux块设备有两种访问方法：一种是类似于/dev/sda、/dev/sdb的原始块设备，一种是在块设备上简历FAT、EXT4、BRTFS等文件系统，然后以文件路径的形式进行访问。在Linux中，针对NOR、NAND等提供了独立的内存技术设备（Memory Technology Device，MTD）子系统，其上运行YAFFS2、JFFS2、UBIFS等具备擦除和负载均衡能力的文件系统。针对磁盘或Flash设备的FAT、EXT4、YAFFS2、JFFS2、UBIFS等文件系统定义了文件和目录在存储介质上的组织。而Linux的虚拟机文件系统则统一对它们进行了抽象。

二、Linux内核启动流程解释

从Bootloader到根文件系统

1、整体架构

嵌入式Linux系统通常包含三大核心组件：

Bootloader（如U-Boot）：引导程序
Kernel：操作系统内核
Rootfs：根文件系统

存储介质常见组合：

SD卡：存放bootloader、kernel、rootfs
8G eMMC：同样存放这三部分
网络启动：通过TFTP服务传输kernel（zImage + dtb）（我们使用这种）

内存大小：512M ，kernel加载地址通常为0x80000000或**0x80800000。**

2、Bootloader（以U-Boot为例）

Bootloader是一个为内核启动准备环境的裸机程序，负责引导内核。其主要工作包括：

初始化阶段

初始化异常向量表
初始化CPU工作模式
初始化栈指针
初始化时钟系统
关看门狗
关闭Cache（数据Cache必须关闭，指令Cache可选）
关闭MMU
关闭中断
初始化内存
初始化相关设备（串口、网口）
集成相关协议
搬移内核到内存 --- 向内核传参（根文件系统类型、init进程、控制台）
引导内核启动 --- bootload不再控制CPU，CPU控制权移交给内核

3、Kernel（操作系统核心）

内核是一个庞大而复杂的程序，负责管理整个系统的软硬件资源。主要功能模块：

文件管理：虚拟文件系统（VFS），支持多种文件系统
进程管理：进程创建、调度、终止
网络管理：TCP/IP协议栈
设备管理：驱动程序框架
内存管理：虚拟内存、页表、MMU管理
IPC进程间通信：管道、消息队列、共享内存、信号量等

内核启动最后阶段

内核启动到最后，会加载（挂载）根文件系统 ，然后启动第一个用户态进程------init进程。

内核通过exec系统调用启动init进程，之后init进程会依次启动其他进程 → 启动shell → 最终运行用户应用程序（userapp）。

4、根文件系统（Rootfs）

根文件系统是第一个挂载的文件系统，它是所有文件的集合，包括：

配置文件 ：如/etc/inittab、/etc/fstab
系统命令 ：ls、cat、mount等Busybox工具
库文件 ：动态链接库（libc.so、ld-linux.so）
用户程序：自定义应用程序
普通文件：文本、mp3、jpg等数据文件

根文件系统为系统提供了最基础的目录结构和运行环境。常见的根文件系统类型有：ext4、yaffs2、jffs2、ubifs、initramfs等。

三、Linux内核启动流程示例

1.整体框架

系统上电根据启动模式配置引脚从不同的介质加载bootloader(以SD卡为例)

1. cpu拷贝bootloader前半部分到OCRAM, bootloader在前半部分代码中初始化好内存，并搬移自己后半部分到内存中执行，bootloader执行到最后阶段搬移内核到内存，并引导内核启动

2-1 内核在SD卡中，则bootloader需要在代码中初始化好SD卡，然后读SD的kernel分区写入内存（忽略）

2-2 内核在ubuntu上，则bootloader需要在代码中初始化有线网卡及集成tftp协议，通过tftp协议下载内核到内存

3-1 根文件系统如果在SD卡中，则内核直接挂载SD卡的rootfs分区（忽略）

3-2 根文件系统在ubuntu上，则内核应该通过nfs挂载ubuntu上的rootfs目录(bootloader向内核传参是应该包含内核启动阶段使用的ip)

2.第一步：搬移内核（kernel）到内存

首先将我们编写好的zImage及xxx.dtb拷贝到tftp服务目录下（tftp服务如何配置上网搜索）

然后打开开发板终端到uboot命令下：开发板上电后倒计时为0之前按回车键进入uboot命令行

tftp 0x80800000 zImagetftp下载，将zImage下载到内存的0x80800000地址处

tftp 0x83000000 pt.dtb tftp下载，将pt.dtb下载到内存的0x83000000地址处

部分uboot命令解释：

help/? 帮助

printenv 查看环境变量

setenv ipaddr 192.168.1.122 设置环境变量

setenv ipaddr 删除环境变量

saveenv 保存环境变量

ping 网络测试

tftp tftp下载

3.第二步：挂载根文件系统（rootfs）

输入下面命令即可

setenv bootargs root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.3:/home/linux/nfs/imx6/rootfs,nfsvers=3 ip=192.168.1.123 console=ttymxc0,115200 init=/linuxrcroot

各参数详解

1. `root=/dev/nfs`

告诉内核：根文件系统（root filesystem）不在本地块设备（如 SD卡、eMMC），而是通过 NFS（网络文件系统）提供。
/dev/nfs 是一个虚拟设备，专门用于 NFS 根文件系统挂载。

2. `nfsroot=192.168.1.3:/home/linux/nfs/imx6/rootfs,nfsvers=3`

192.168.1.3：NFS 服务器 IP 地址（通常是开发主机或服务器）。
/home/linux/nfs/imx6/rootfs：服务器上导出的 NFS 共享目录路径（即根文件系统的内容所在位置）。
nfsvers=3：指定使用 NFS 协议版本 3。版本 3 相比版本 2 支持更大的文件、异步写入等，且无需端口映射器（portmap）的复杂依赖。

3. `ip=192.168.1.123`

配置开发板（目标机）的 IP 地址为 192.168.1.123。
若需同时指定服务器 IP、网关、子网掩码等，可使用完整格式：
ip=192.168.1.123:192.168.1.3:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off

但此处简写只设置了客户端 IP，内核会自动通过 DHCP 或 Bootp 获取其余信息（若服务器支持）。

4. `console=ttymxc0,115200`

ttymxc0：串口设备名（i.MX6 系列 SoC 的第一个 UART 接口）。
115200：波特率。
内核启动信息以及后续的 init 进程的标准输入/输出都会重定向到这个串口，方便调试。

5. `init=/linuxrcroot`

init进程,根文件挂载完成后启动的第一个进程(1号进程：linuxrcroot)

整个命令的作用流程

U-Boot 启动后，将 bootargs 传递给内核。
内核解析参数：
- 根据 ip=... 配置网卡 IP。
- 根据 nfsroot=... 尝试挂载 NFS 共享目录作为根文件系统。
- 挂载成功后，根据 console=... 将控制台输出到串口。
- 最后执行 init=... 指定的用户态程序
如果一切正常，开发板就从 NFS 启动，无需烧写根文件系统到本地存储------非常适合开发阶段频繁修改文件系统的场景。

注意：

网络连通性 ：开发板必须能 ping 通 NFS 服务器（192.168.1.3），且服务器需正确配置 NFS 导出（/etc/exports）。
NFS 服务 ：服务器上要安装并启动 NFS 服务（如 nfs-kernel-server），且导出的目录权限允许开发板访问（通常设置 rw,no_root_squash,sync）。
内核配置 ：内核需编译支持 NFS 根文件系统（CONFIG_ROOT_NFS=y 及 CONFIG_NFS_FS=y）。

4.第三步：启动内核

bootz 0x80800000 - 0x83000000 启动0x80800000地址处的内核

四、内核编译操作示例

这一部分主要讲的是如何编译内核，上面部分是启动已经编译好了的内核。

内核编译是将内核源码转换成可运行的镜像文件（zImage）和设备树文件（dtb）的过程。本章详细介绍内核编译的完整流程，包括配置、编译以及向内核添加自定义驱动。

1.将内核源码包拷贝到 Ubuntu 下，并解压到工作目录：

linux官网上下载一个内核源码包（要找对应的开发板的内核源码包，比如我这里是imx6ull）：

复制代码

tar -xvf linux-imx-xxx.tar.bz2
cd linux-imx-xxx

2.向内核新增文件(以向drivers/char目录下新增demo.c为例)：

1. 在drivers/char目录下创建并编辑demo.c

2. 修改同层目录下的Makefile新增一行 obj-$(CONFIG_DEMO) += demo.o

3. 修改同层目录下的Kconfig文件，新增一个DEMO的配置

4. make menuconfig（在 里面查看我们新增的驱动是否生效）

5. make zImage -j20（编译内核）

3.内核编译流程(所有操作均在内核源码的顶层目录下执行)：

1. 拷贝默认配置到.config cp arch/arm/configs/imx_alientek_emmc_defconfig .config

2. make menuconfig 内核配置(选择编译的模块)

3. make zImage 编译内核(仅生成zImage)

make dtbs 编译设备树(生成dtb文件)

make 全编译 -jn 多线程编译 n代表线程数,比如-j20

arch/arm/boot/zImage

arch/arm/boot/dts/imx6ull-alientek-emmc.dtb

五、总结和补充

1.Kconfig 文件介绍（以添加 ABC 为例）

Kconfig 是 Linux 内核（以及许多嵌入式系统如 U-Boot、Buildroot）中用于配置系统的脚本语言文件。它定义了配置选项的层次结构、类型、默认值和帮助信息，最终通过 menuconfig、nconfig 等工具生成 .config 文件，控制哪些功能被编译进内核或模块。

这里以添加的ABC为例：

关键部分解释

config ABC

定义配置选项的名称，最终会生成 CONFIG_ABC 的宏。
命名建议：大写字母，通常与功能相关。
bool "ABC support"

类型为布尔型（bool），只有两种值：y（编译进内核）或 n（不编译）。
引号内的字符串是菜单中显示的名称 。

其他类型还包括：tristate（三态：y/m/n）、int、hex、string 等。
default y

默认值为 y。即不手动修改时，该选项会被选中。

可以省略，默认值为 n。也可以根据其他选项条件默认，如 default y if XYZ。
help

帮助文本，详细解释该选项的作用。用户按 ? 或 h 时会显示。

必须以缩进（通常是 tab 或空格）书写，直到下一个非缩进行为止。

添加位置：不要前后，要中间

在 Kconfig 文件中，选项的顺序会影响 menuconfig 的显示顺序。用户强调 添加 config 不要在前面和后面，最后是中间，意思是：

不要加在文件开头（可能会破坏依赖关系或默认菜单结构）。
不要加在文件末尾（末尾可能属于某个 menu/endmenu 之外，或影响整体层级）。
加在中间合适的位置 ：通常是按功能分类，放在与 ABC 功能相关的 menu、if 块内，或与其他同类选项一起。

如何修改生效

编辑对应目录下的 Kconfig 文件（如 drivers/Kconfig 或新建子目录的 Kconfig）。
在合适位置（已有选项之间）添加 config ABC 块。
运行 make menuconfig，即可看到新选项。
保存配置后，.config 中会出现 CONFIG_ABC=y。

注意事项

如果希望 ABC 只在某个条件成立时才可见，可以用 depends on 或 if。例如：
如果希望 ABC 直接修改其他配置（如自动选中另一个选项），可以用 select XYZ。
布尔选项的显示结果：[*] 表示 y，[ ] 表示 n。

deponds on（弱依赖），要选择依赖里面的模块编译，才能选择这个模块是否编译

select（强依赖） ABC 如果选择了ABC1则一定会把ABC也一起选了

source 相当于include ，把kconfig里面的东西直接放到写source这个位置

2.问题汇总：

1. make zImage不了

解决办法：没装lzop：sudo apt install lzop 或者终端窗口不够大也会报错，尽量把窗口放大make

2.没有网口使用usb转网口转换器会出现开发板和虚拟机无法ping通

解决办法：检查虚拟机是否把usb连接上了，这个转换器必须连接到主机。以及没有网口无法使用双网卡

3.启动内核出现类似no soundscard的报错提示

解决办法：根文件系统的挂载路径有问题，检查一下命令的路径和实际的路径是否一致