【树莓派Linux内核开发】入门实操篇（虚拟机Ubuntu环境搭建+内核源码获取与配置+内核交叉编译+内核镜像挂载）

一、搭建Ubuntu环境

1.ubuntu18.04镜像下载

打开ubuntu18.04镜像传送门，进入到主页

往下滑，找到相应镜像并下载

等待镜像下载完毕即可

2.VMware软件安装

• VMware是一款运行在windows系统上的虚拟机软件，可以虚拟出一台计算机硬件，方便安装各类操作系统

进入VMware官网传送门，来到主页，往下滑，选着适合的版本进行下载

下载完成后，双击打开安装应用

点击下一步

勾选我接受，继续下一步

选择自己的安装路径，继续下一步

全部取消勾选，继续下一步

最后，点击下一步，开始安装

安装完成

咳咳，最后这部分就交给大家了

MC60H-DWHD5-H80U9-6V85M-8280D

3.安装镜像，创建虚拟机

打开VMware，点击创建新的虚拟机

我这里是选择自定义（看自己需求），然后进入下一步

直接下一步

选择好之前下载好的镜像文件，接着下一步

填写好安装信息，继续下一步（用户名有格式要求，不符合的会有提示）

取好虚拟机名字，选择一个磁盘空间比较大的位置，继续下一步

根据自己电脑配置量力而行（一般都这么操作也问题不大），继续下一步

这里就采用推荐内存了，2G

看情况，我这里选择桥接模式

后边都选推荐

创建虚拟磁盘

默认20G，下一步即可

开始创建

等待创建完毕即可

创建完毕，登录成功

4.虚拟机安装基础软件（安装过程有询问，直接回车或者Y）

4.1 安装vim

输入命令vi hello.c，发现方向键不好用，系统软件比较古老

arsen@ubuntu:~$ vi hello.c

输入命令 sudo apt-get install vim 进行下载安装

arsen@ubuntu:~$ sudo apt-get install vim

安装完后再次vi hello.c，发现颜色变了，操作也好使起来了

若发现上不了网，则进行如下操作

• 打开虚拟机设置，选择桥接模式

  

  

• 检查编辑里的 虚拟网络编辑器

  

  检查里面的桥接模式（这里的ubuntu18的虚拟机已经帮桥接好，没有桥接模式的显示）

  

4.2 安装gcc（不会就面向百度开发）

编写完测试代码hello.c，发现没有gcc工具进行编译

面向百度后，得到下面命令，该命令将安装一堆新包，包括gcc，g++和make工具

sudo apt install build-essential

安装好后，进行编译，运行成功（应该加个\n的）

4.3 安装ifconfig

输入命令ifconfig，发现运行失败

面向百度后，输入安装命令

sudo apt install net-tools

一开始遇到了安装失败的问题，后面把报错信息面向百度/****后，得到参考解决方法，先弄两条命令再安装

报错信息：

E: Could not get lock /var/lib/dpkg/lock-frontend - open (11: Resource temporarily unavailable)
E: Unable to acquire the dpkg frontend lock (/var/lib/dpkg/lock-frontend), is another process using it?

解决方法：

sudo rm /var/lib/dpkg/lock-frontend
sudo rm /var/lib/dpkg/lock
sudo apt install net-tools

安装成功

5.添加共享文件夹（虚拟机上默认路径是 /mnt/hgfs/share）

点开虚拟机的设置

在选项里，启动并添加

选择本地电脑的文件夹路径，设置好此文件夹在虚拟机中的名字，继续下一步

完成添加，并确定

添加好后，虚拟机上的共享文件夹默认路径是 /mnt/hgfs/share

6.拷贝树莓派Linux内核源码和交叉编译工具链

6.1 下载内核源码和工具链

先到树莓派Linux内核源码地址，选择适合自己树莓派版本的，把源码下载到本地，放到共享文件夹下

版本查询

树莓派上运行 uname -r（演示一下）

uname -r

（我的树莓派是3B+，烧录的镜像是官方的标准镜像，看上面的内核版本我应该下载6.xx的才对，这里下错了，不过问题不大，只是测验，但对应版本的才能进行驱动和运行编译出来的东西）

再下载树莓派交叉编译工具到share共享文件夹

传送门

6.2 解压并配置环境变量

继续操作上面的虚拟机，删除当前目录下的所有文件（没啥用的文件）

rm * -rf

接着，使用命令创建一个SYSTEM文件夹并进入

mkdir SYSTEM
cd SYSTEM

然后，使用 cp 命令，把我们在电脑上下载好的文件拷贝到虚拟机的当前目录

cp /mnt/hgfs/share/linux-rpi-4.19.y.zip .
cp /mnt/hgfs/share/tools-master.zip .

使用uzip命令解压压缩包

（这里显示我没有uzip，而且安装uzip还失败了，报错：E: Unable to locate package uzip）

arsen@ubuntu:~/SYSTEM$ ls
linux-rpi-4.19.y.zip  tools-master.zip
arsen@ubuntu:~/SYSTEM$ uzip tools-master.zip 

Command 'uzip' not found, but there are 16 similar ones.

arsen@ubuntu:~/SYSTEM$ sudo apt-get install uzip
[sudo] password for arsen: 
Reading package lists... Done
Building dependency tree       
Reading state information... Done
E: Unable to locate package uzip
arsen@ubuntu:~/SYSTEM$ 

最后，问题解决了，发现是解压命令错了，应该是unzip

不过，如果报错如上：E: Unable to locate package xxx

原因：刚安装，软件源还来不及更新，无法找到包

解决办法：
1.首先尝试update命令
sudo apt-get update

2.如果不行则执行upgrade
sudo apt-get upgrade

3.最后上面两项都不行则尝试
sudo apt-get install aptitude

成功以后使用

sudo aptitude install xxx

先使用unzip解压交叉编译工具链

unzip tools-master.zip 

然后，安装交叉编译工具链，并进行配置使它永久有效

先cd到根目录，再输入命令 vi .bashrc

vi .bashrc

快捷键 shift + g 跳到最后一行

另一边先进入解压后的arm-bcm2708文件夹

cd tools-master/arm-bcm2708

一步步获取交叉编译工具链的绝对路径

pwd 打印出来的：

/home/arsen/SYSTEM/tools-master/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin

echo $PATH 打印出来的：

/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/usr/local/games:/snap/bin

arsen@ubuntu:~/SYSTEM/tools-master/arm-bcm2708$ ls
arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi  arm-rpi-4.9.3-linux-gnueabihf
arm-bcm2708-linux-gnueabi        gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian
arm-linux-gnueabihf              gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64
arsen@ubuntu:~/SYSTEM/tools-master/arm-bcm2708$ cd gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64
arsen@ubuntu:~/SYSTEM/tools-master/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64$ ls
arm-linux-gnueabihf  bin  lib  libexec  share
arsen@ubuntu:~/SYSTEM/tools-master/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64$ cd bin
arsen@ubuntu:~/SYSTEM/tools-master/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin$ pwd
/home/arsen/SYSTEM/tools-master/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin
arsen@ubuntu:~/SYSTEM/tools-master/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin$ echo $PATH
/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/usr/local/games:/snap/bin
arsen@ubuntu:~/SYSTEM/tools-master/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin$ 

接着，回到配置窗口，在最后一行加上（第二句的路径是echo $PATH 获取的 + pwd 获取的）

export PATH=$PATH:/home/arsen/SYSTEM/tools-master/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin
#或者下面这句，二选一就行
export PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/usr/local/games:/snap/:/home/arsen/SYSTEM/tools-master/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin

配置好后，返回操作目录，使用下面命令进行加载

source .bashrc

检查工具链版本，成功运行则安装完毕

arm-linux-gnueabihf-gcc -v

最后，进入SYSTEM文件夹，对内核源码压缩包进行解压

cd SYSTEM
unzip linux-rpi-4.19.y.zip

解压完毕，准备工作完成

二、树莓派等芯片带操作系统的启动过程

1.x86、Intel、windows等设备的启动过程

启动过程：

• 电源 —> BIOS —> windows内核 —> C,D盘的启动 —> 程序的启动（例如QQ的启动）

2.嵌入式产品（树莓派、mini2440、mini6410、nanopi、海思、RK(瑞芯微) ）的启动过程

启动过程：

• 电源 —> BootLoader (引导操作系统启动) —> linux内核 —> 文件系统（根据功能性来组织文件夹，带访问权限）—> 嵌入式产品的启动（例如KTV点歌机，人脸识别打卡机，智能家居主控）

3.安卓操作系统的启动过程

启动过程：

• 电源 —> fastBoot/Bootloader/ —> linux内核 —> 文件系统 —> 虚拟机 —> HOME应用程序 —> 点击某图标打开某app

4.小扩展

C51、STM32（裸机，不带操作系统）的开发流程

• 不带操作系统的裸机开发是C语言直接操控底层寄存器实现相关业务

BootLoader开发：

• 一阶段：让CPU跟内存，FLASH，串口，IIC，IIS，数据段等打交道（汇编和C结合驱动这些设备）
• 二阶段：引导Linux内核启动（纯C操作）

三、树莓派Linux内核源码简单认知

1.linux内核认知

• linux是开源的，免费的，由其linux开源社区工作者和爱好者共同进行维护

• linux是一个开源的，支持多架构多平台代码；

  如ARM：海思，树莓派,RK，nanoPi，友善之臂；X86；PowerPC，MIPS

• 可移植性非常高

• linux内核大约由1.3w个C文件组成，1100w行代码左右；

  但是linux内核编译出来一般就是几M，一般是4M左右；

  因为是支持多平台多架构，所以在编译之前是需要进行配置的，配置成适合的目标平台来用

2.Linux文件系统分区

详细分区传送门

上图Linux文件都是根据功能来放的

• dev： 放的是设备相关，
• lib： 放的是各种动态库和静态库，
• proc： 放的是内核的数据信息，
• home：是用户登录的工作界面，
• opt： 是跟内核底层有关的，
• sbin： 通常是可执行文件或指令，
• bin： 也是指令和可执行文件,
• boot： 是启动要加载的配置等等。

四、树莓派Linux内核源码配置

1.内核源码配置原因

​ 操作树莓派需要进行驱动代码的编写，编写完后，代码运行需要进行驱动代码的编译，而驱动代码的编译需要一个提前编译好的内核，编译内核必须要进行内核源码的配置。

（配置的最终目标会生成 .config文件，该文件指导Makefile去把有用东西组织成内核）

2.内核源码配置方法

Linux内核源码配置，其实就是配置config

• linux源码中有很多工程：
  树莓派1的工程是bcmrpi_defconfig；
  树莓派2、3的工程是bcm2709_defconfig

  树莓派4的工程是bcm2711_defconfig（临时ChatGPT查的）

2.1 cp 厂家.config

厂家linux内核源码，比如说买了树莓派，厂家就会向我们提供树莓派linux内核源码，可以进行参考

使用厂家源码中的工程文件，进行cp 厂家.config

先进入树莓派Linux内核源码文件夹，然后运行下面指令，查看各个架构的工程文件

find . -name *_defconfig

树莓派3的工程文件

使用下面命令获取bcm2709_defconfig的配置到 .config里

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make bcm2709_defconfig

命令解释：

#命令解释
ARCH=arm（指定当前要编译的是arm架构）
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- （指定编译器是树莓派交叉编译工具链）
KERNEL=kernel7 （指明kernel类型，树莓派1设置为kernel，树莓派2，3设置为kernel7，树莓派4设置为kernel7l）
make bcm2709_defconfig（make为配置命令）

在执行该命令的过程了我遇到了两次报错

• 第一次报错：

  YACC scripts/kconfig/zconf.tab.c
  /bin/sh: 1: bison: not found
  scripts/Makefile.lib:196: recipe for target ‘scripts/kconfig/zconf.tab.c’ failed
  make[1]: *** [scripts/kconfig/zconf.tab.c] Error 127
  Makefile:534: recipe for target ‘bcm2709_defconfig’ failed
  make: *** [bcm2709_defconfig] Error 2

  解决方法：

  根据报错信息来看，这是由于缺少bison工具导致的错误。bison是用于生成解析器的工具，需要进行安装才能继续进行编译过程。

  在树莓派上安装bison的方法可以尝试以下命令：

  sudo apt-get install bison

  

• 第二次报错：

  YACC scripts/kconfig/zconf.tab.c
  LEX scripts/kconfig/zconf.lex.c
  /bin/sh: 1: flex: not found
  scripts/Makefile.lib:188: recipe for target ‘scripts/kconfig/zconf.lex.c’ failed
  make[1]: *** [scripts/kconfig/zconf.lex.c] Error 127
  Makefile:534: recipe for target ‘bcm2709_defconfig’ failed
  make: *** [bcm2709_defconfig] Error 2

  解决方法：

  根据报错信息，这次报错是由于缺少flex工具导致的。flex是用于生成词法分析器的工具，需要进行安装才能继续进行编译过程。

  在树莓派上安装flex的方法可以尝试以下命令：

  sudo apt-get install flex

  

---

2.2 make menuconfig 通过菜单一项项配置（通常是基于厂家的config来配置）

通过make menuconfig 一项项的来配置，通常都是基于厂家的config来进行配置。

通过这样的"裁剪"，可以减小内核的体积。

先安装一些必要的库

sudo apt-get install bc
sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev
sudo apt-get install zlib1g:i386
sudo apt-get install libc6-i386 lib32stdc++6 lib32gcc1 lib32ncurses5

安装好后，运行下面指令，在内核菜单进行配置

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make menuconfig

选项解释

• General setup —>（通用选项）
• [ * ] Enable loadable module support —> 内核模块选项
• [ * ]Enable the block layer —> 块设备逻辑层选项（大文件支持、分区、I/O调度）
• System Type —>（平台选项）
• Bus support —> 总线选项
• Kernel Features —>内核特征
• Boot options —> 引导选项
• CPU Power Management —> CPU电源管理选项
• Floating point emulation —> 浮点运算
• Userspace binary formats —> 用户程序格式
• Power management options —> 电源管理选项
• [*] Networking support —> 网络协议选项
• Device Drivers —> 设备驱动
• Firmware Drivers ---- 驱动固件选项
• File systems —> 文件系统选项
• Kernel hacking —> 内核调试选项
• Security options —> 安全模块选项

选择要配置的文件，使用空格可以切换[ ]里面的模式。

[*]：编译进内核（*代表Y，编译进内核，zImage包含了驱动）
[M]：编译成模块（以模块的方式生成驱动文件xxx.ko，系统启动后，
                通过命令inmosd xxx.ko来加载驱动，也可以减小一些内核大小）
[ ]:表示不需要的部分
空格可切换修改。
修改完毕后，保存退出

2.3 完全自己来（略）

xxxx

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五、树莓派 linux 内核源码编译并运行

1.编译

运行下面指令进行编译

编译的时间会比较久(看电脑配置，20~30分钟少不了)

编译过程中如果跑了几分钟没有报错，那就是没问题，等就行了

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make -j4 zImage modules dtbs

命令解释：

#命令解释
ARCH=arm（指定当前要编译的是arm架构）
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- （指定编译器是树莓派交叉编译工具链）
KERNEL=kernel7 （指明kernel类型，树莓派1设置为kernel，树莓派2，3设置为kernel7，树莓派4设置为kernel7l）
make -j4：指定用多少电脑资源进行编译（j4是四核的意思，这个要每个人根据
          自己的电脑的配置以及虚拟机的设置的核数来决定，我之前虚拟机设置的是4核）
zImage：生成内核镜像
modules：要生成驱动模块
dtbs：生成配置文件

编译过程中，我一下子就遇到了一个报错：

scripts/extract-cert.c:21:10: fatal error: openssl/bio.h: No such file or directory
#include <openssl/bio.h>
^~~~~~~~~~~~~~~
compilation terminated.
scripts/Makefile.host:90: recipe for target ‘scripts/extract-cert’ failed
make[1]: *** [scripts/extract-cert] Error 1
make[1]: *** Waiting for unfinished jobs…
UPD include/generated/asm-offsets.h
CALL scripts/checksyscalls.sh
Makefile:1073: recipe for target ‘scripts’ failed
make: *** [scripts] Error 2

解决方法：

根据报错信息来看，这是由于缺少openssl库导致的错误。缺少openssl/bio.h头文件。

在树莓派上安装openssl库的方法可以尝试以下命令：

sudo apt-get install libssl-dev

解决后再运行编译命令就一直跑了，应该没问题了，等待就好

编译完成

编译成功后，会生成vmlinux文件，失败则无此文件

2.将zmage文件打包成树莓派可用的xxx.img镜像文件

生成的zImage文件在/home/arsen/SYSTEM/linux-rpi-4.19.y/arch/arm/boot路径的boot文件夹下

回到内核源码目录，输入下面命令进行镜像打包（会生成kernel_new.img适合树莓派使用的镜像文件）

./scripts/mkknlimg arch/arm/boot/zImage ./kernel_new.img

3.将树莓派SD卡的U盘映射到虚拟机

将插有树莓派SD卡的U盘插入电脑，通过下面操作，把U盘映射到ubuntu虚拟机（U盘插入过程中，电脑有时会自动识别到并询问是否进行映射，问题不大，可自行百度解决）

输入下面命令，查看内核信息（可以显示系统中各种硬件设备的信息），有设备接入的时候内核会打印出驱动层面的信息

dmesg

看到sb1，sb2，则说明接入成功

sdb1，2分别是树莓派sd卡的两个分区（sd卡在刷树莓派镜像的时候会自动变成两个分区）

• ①一个fat分区，是boot相关的内容，kernel的img文件在此分区。
• ②一个是ext4分区，也就是系统的根目录分区。（cd /进入的就是系统的根目录）

4.数据拷贝

4.1 挂载U盘

返回到原先创建SYSTEM目录的地方，再创建data1和data2两个文件夹

运行下面指令，将两个分区挂载到新创建的两个数据文件夹

sudo mount /dev/sdb1 data1  
    #挂载U盘的sdb1文件分区到当前路径下的data1文件夹,   
    #该分区为fat分区，是boot相关的内容，kernel的img.
sudo mount /dev/sdb2 data2  
    #挂载U盘的sdb2文件分区到当前路径下的data2文件夹,
    #该分区为ext4分区,也就是系统的根目录分区.

运行完后，两个新建的文件夹就都有数据了，都分别关联到了两个分区

data1为fat分区（boot相关），data2为ext4分区（系统根目录相关）一定要对应好！！！

4.2 安装modules

运行指令安装，因为内核配置时，有一部分是编译成模块的形式配置进来的，安装后hdmi接口、usb、wifi、io口等等的设备才能使用，所以需要这么一步。

回到内核源码文件夹，运行安装命令

# 操作ext4分区需要root权限，sudo
# [ext4]为第二分区（sdb2）虚拟机上挂载的地址(data2的位置)，需要根据自己的地址更改
# 更改前
sudo ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make INSTALL_MOD_PATH=[ext4] modules_install
# 更改后，我的，注意将代码的“[ext4]”更改为data2的绝对路径 !!
sudo ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make INSTALL_MOD_PATH=/home/arsen/data2 modules_install

安装完成

4.3 安装并更新kernel.img文件

注意查看原来镜像名字是kernel7.img

ls /home/arsen/data1

在操作过程中，原来的这个kernel7.img会被覆盖，为了防止刷机失败，或者拷贝过程中文件损坏，需要提前用别名备份这个文件。

打开新的终端（ctrl alt t）(方便操作罢了)，进入其存放路径（cd /home/data1)

sudo cp kernel7.img kernel7OLD.img

从内核源码目录（linux-rpi-4.19.y）拷贝kernel_new.img（是由zImage打包而成）到data1并且命名为kernel7.img覆盖原来的文件

sudo cp kernel_new.img /home/arsen/data1/kernel7.img

检查拷贝是否有问题，使用命令md5sum显示文件的唯一编码号，若相同则为同一个文件

• md5sum kernel_new.img
• md5sum /home/arsen/data1/kernel7.img

4.4 拷贝相关配置文件

从内核源码目录linux-rpi-4.19.y进行拷贝，这些配置文件是为了能够加载驱动以及一些其他的配置

# 修改前,[fat]为第一分区（sdb1）虚拟机上挂载的地址(data1的位置)，需要根据自己的地址更改
cp arch/arm/boot/dts/.*dtb* [fat]/
cp arch/arm/boot/dts/overlays/.*dtb* [fat]/overlays/
cp arch/arm/boot/dts/overlays/README [fat]/overlays/
# 按自己需求修改后,README是说明书
cp arch/arm/boot/dts/.*dtb* /home/arsen/data1/
cp arch/arm/boot/dts/overlays/.*dtb* /home/arsen/data1/overlays/
cp arch/arm/boot/dts/overlays/README /home/arsen/data1/overlays/

5.在树莓派上运行编译好的内核镜像

5.1 USB-TTL进行串口打印调试信息，观看启动过程

先点击选择断开连接sd卡，使其重新挂载在windows上

添加USB串口信息，如果之前在做别的项目，例如串口编程时，会把这个配置信息删掉，这时需要添加回来

配置好后，sd卡插回树莓派，USB-TTL连接，用MobaXterm进行串口连接，可以看到启动正常。

此时，可以再输入查看内核版本的命令进行确认（如果和之前不一样，则说明更换成功）

uname -r
uname -a

5.2 SSH连接查看

用指令uname -r/a查看内核版本，发现内核版本与之前相比，已然发生了变化，说明更换成功

我这边用的是SSH连接，内核更换后，我发现之前的wifi配置信息还是有效的，就直接通过MobaXterm进行SSH连接树莓派了