Linux 内核学习1. 编译并启动一个最小化系统

一、Linux内核简介

1. Linux 内核介绍

Linux内核是操作系统的核心组件，负责管理硬件资源、提供系统调用接口以及协调用户空间和硬件之间的交互。
内核位于操作系统的最底层，直接与硬件交互，为上层提供服务。
Linux内核是开放源代码的，符合 GPL （General Public Licese）开源协议 。

内核网址：https://kernel.org/

截止本文写作时，当前内核主线最新版本是6.8-rc1。

2. Linux内核主要的作用

• 硬件管理
• 进程管理
• 内存管理
• 文件系统
• 网络支持
• 系统调用接口
• 中断和异常处理
• 安全性和权限控制
• 虚拟化、容器支持

二、编译内核主要的步骤

Linux内核编译主要是以下步骤：

1. 准备编译环境
2. 获取内核源代码
3. 配置内核
4. 编译内核

本文要实现一个最小化的Linux系统，除了上面编译步骤，还需要做：

5. 构建用户空间工具集
6. 制作根文件系统
7. 配置引导加载程序

三、编译过程

1. 准备环境

• ubuntu 22.04

2. 安装编译工具和依赖项

apt install -y make make-guile gcc flex bison  libelf-dev openssl libncurses-dev libssl-dev

3. 下载源码

sudo apt install git -y

# 下载源代码
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/linux.git
# 克隆好后切换到最新的stable分支
git checkout v5.19

4. 配置内核

配置功能选项

在配置界面可以设置各种内核选项，如：

• 处理器类型
• 设备驱动
• 文件系统
• 系统调用
• 内存管理
• 网络支持
• 核心功能

Linux 内核有几种配置方式：

命令行配置

make menuconfig

图形化配置

# 需要安装 pkg-config 包管理工具
sudo apt install pkg-config -y

默认配置

make defconfig
本文直接使用默认配置。

还有其它几个命令行参数：

• make allyesconfig ： 创建能选yes就选yes的配置;
• make allnoconfig ：创建能选no就选no的配置

这里使用下面命令配置：

# 配置内核
make menuconfig

5. 编译内核

# 编译生成内核的二进制文件
make
# 明确指定了编译目标为 bzImage
make bzImage

bzImage 是 Linux 内核的一种格式，它是压缩过的内核镜像，包含了启动时所需的所有代码和数据。

编译后结果在arch下的对应内核架构文件夹下：

6. 构建轻量化工具集

这里选择BusyBox ， 它将多个标准的Unix工具合并到一个可执行文件中，提供了一个精简而功能全的用户空间环境 。
BusyBox 包含了一系列标准的Unix工具，如： ls，cp，mv，mkdir，cat等；
BusyBox体积非常小，方便构建最小化的Linux系统，也适用于嵌入式系统。

6.1 下载 BusyBox

wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.32.1.tar.bz2
tar -jxvf busybox-1.32.1.tar.bz2
cd busybox-1.32.1
# 置默认编译选项
make defconfig
vim .config

配置时修改.config 的 CONFIG_STATIC 内核配置选项，这个选项是用于指示是否构建静态链接的内核二进制。设置为y，用来构建静态内核二进制，它会包含内核中的所有代码和驱动。

6.2 编译并安装

make busybox install

• bin目录 ： 存放系统的基本命令工具
• sbin：存放系统管理员或系统维护者使用的一些特殊命令工具
• usr：存放用户级别的应用程序和数据，在BusyBox里通常包含一些额外的工具和应用
• linuxrc：是一个初始化脚本 ，用于系统的初始化和配置任务，如挂载文件系统、加载模块；

为了更灵活定制系统，后面会先删除 linuxrc。

7. 制作根文件

7.1 制作根文件系统说明

制作根文件系统是指创建一个包含操作系统核心文件、命令工具、配置文件和其它必要文件的目录结构，该目录结构将成为制作的Linux系统的根目录。 在Linux系统中，根文件系统是系统启动时的最顶层目录 ， 表示为 / 。

要做的根文件系统包含了系统启动和运行所需的所有文件和目录。 制作过程一般是：

1. 选择文件系统类型
2. 创建目录结构
3. 添加文件系统
4. 配置系统文件
5. 设备节点
6. 设置权限和所有权
7. 配置启动脚本
8. 压缩文件系统

7.2 拷贝根文件系统需要的文件

cd _install
rm linuxrc

cd ..
cd ..
# 根文件系统文件夹命名为rootfs
mkdir rootfs
cd rootfs
cp -r ../busybox-1.32.1/_install/bin/ .
cp -r ../busybox-1.32.1/_install/sbin/ .
cp -r ../busybox-1.32.1/_install/usr/ .
mkdir dev proc sys

7.3 在 rootfs 下创建 init 文件

init 启动脚本负责在系统启动时执行一系列的初始化任务，包括设置内核消息级别、挂载/dev、/proc、/sys文件系统，最后启动一个Shell。 这样系统在启动后就进入了一个基本的可操作环境 。

vim init
内容 ：

#!/bin/sh
# 将内核日志消息级别设置为1，减少控制台上的内核消息输出
dmesg -n 1
# 将devtmpfs 文件系统挂载到/dev目录 。 devtmpfs是一个用于创建设备节点的临时文件系统，这样可以在 /dev 中创建和管理设备节点。
mount -t devtmpfs none /dev
# 将 proc 挂载到/proc目录 ,proc文件系统提供了对内核和进程信息的访问，通常在挂载后用于与内核交互
mount -t proc none /proc
# 将 sysfs 文件系统挂载到/sys目录，sysfs提供了对系统设备和内核参数的信息的访问
mount -t sysfs none /sys
# 创建一个新的会话，并将进程入进去。 cttyhack 确保进程成为控制终端的会话领导者；/bin/sh 启动一个新的 Shell。
setsid cttyhack /bin/sh

7.4 设置可执行权限

cd ..
chmod 777 -R rootfs/

7.5 打包文件系统

cd rootfs
find . | cpio -R root:root -H newc -o | gzip > ../rootfs.gz

8. 创建 bios 引导

BIOS通常是为了在计算机启动时用来加载操作系统。常见的 BIOS 引导加载程序包括 GRUB（GRand Unified Bootloader）、LILO（LInux LOader）等。本文的Syslinux也是一个用于 BIOS 引导的引导加载程序。它是一个轻量级的、开源的引导加载程序，通常用于引导 Linux 系统，特别是在嵌入式系统和 LiveCD 环境中广泛使用。

使用 Syslinux 进行 BIOS 引导的一般步骤包括：

• 将 Syslinux 安装到引导扇区（MBR）或分区引导扇区。
• 创建并编辑 Syslinux 的配置文件（syslinux.cfg）以定义引导选项。
• 在硬盘上安装操作系统的引导加载程序，例如 Linux 内核。
• 设置计算机的 BIOS 启动顺序，确保从硬盘引导。

具体操作：

8.1 下载、解压缩

wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/utils/boot/syslinux/syslinux-6.03.tar.gz
gunzip syslinux-6.03.tar.gz
tar -xvf syslinux-6.03.tar

8.2 准备文件

新建文件夹，把需要的文件都拷到文件夹里。

mkdir isobios
cd isobios
cp ../rootfs.gz .
cp ../linux/arch/x86/boot/bzImage kernel.gz
cp ../syslinux-6.03/bios/core/isolinux.bin .
cp ../syslinux-6.03/bios/com32/elflink/ldlinux/ldlinux.c32 .  

8.3 创建启动引导文件 isolinux.cfg

vim isolinux.cfg

添加内容：

default kernel.gz initrd=rootfs.gz

然后运行命令生成ios镜像：

sudo apt install -y xorriso -y
xorriso -as mkisofs -o ../mybios.iso -b isolinux.bin -c boot.cat -no-emul-boot -boot-load-size 4 -boot-info-table ./

xorriso 工具用来创建 ISO 镜像的命令，下面是各个参数的解释：

1. -as：

   • 启用 xorriso 的 “Auto scan” 模式，该模式用于扫描可用的设备和媒体。

2. mkisofs：

   • 指定使用 mkisofs 模块，mkisofs 用于创建 ISO 9660 文件系统的镜像。

3. -o ../mybios.iso：

   • 指定输出文件的路径和名称，这里将 ISO 镜像保存为 mybios.iso 并放置在上层目录 (../)。

4. -b isolinux.bin：

   • 指定引导镜像文件的路径和名称，这里设置了引导镜像为 isolinux.bin。

5. -c boot.cat：

   • 指定引导信息文件的路径和名称，这里设置了引导信息文件为 boot.cat。

6. -no-emul-boot：

   • 禁用 emulated boot（模拟引导）。该选项告诉 ISO 文件系统，引导镜像应该直接从磁盘引导，而不是通过模拟软盘引导。

7. -boot-load-size 4：

   • 设置引导加载器的加载大小，这里将引导加载器加载到内存的大小设置为 4 扇区。

8. -boot-info-table：

   • 在 ISO 9660 文件系统中创建引导信息表。该表提供引导加载器所需的信息。

9. ./：

   • 指定要包含在 ISO 镜像中的文件和目录的路径。这里 ./ 表示当前目录下的所有文件和子目录。

这个命令的目标是创建一个 ISO 9660 文件系统的镜像，该镜像包含了引导信息、引导加载器以及当前目录下的所有文件和子目录。这种 ISO 镜像通常用于制作可引导的光盘或 USB 镜像，以便在系统引导时加载其中的操作系统或工具。

生成的iso：

四、创建虚拟机

1. 使用VMWare创建虚拟机

2. 启动虚拟机

启动后的系统可以输入ls pwd等命令。