《树莓派实战秘籍》——2.2　技巧22构建一个定制内核

心已赠人 2022-01-27 03:45 174阅读 0赞

本节书摘来异步社区《树莓派实战秘籍》一书中的第2章，第2.2节，作者：【美】Ruth Suehle ,Tom Callaway，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

### 2.2　技巧22构建一个定制内核 ###

树莓派实战秘籍  
对于很多技巧来说，标准的预购建Linux内核映像已经足够了，不过有些需要的选项或驱动并没有被标准内核启用。这个技巧打开了一些额外的选项，并将对本书中其他的技巧有用。

Linux内核是因为以下几个原因而成为一个奇妙的操作系统核心的：首先是它的多功能性，而且它原生支持了大量的架构和设备；然后是其开源代码库，树莓派基金会提供了预购建的专为支持树莓派硬件的客制化的Linux内核映像及相应的源代码树，让你可以建立你自己定制的可以工作在树莓派上的内核映像。这是很有必要的，因为不是所有在树莓派上工作所需要的Linux内核代码都被合并到官方的Linux内核代码树中。

构建你自己内核的第一步是决定你是要在树莓派上的Linux实例内本地干这件事情，还是要在一个x86系统上的正确配置的交叉编译工具链上构建它。我们强烈建议你采取后一种方式，因为它会非常非常快（只需要几小时或更快），而且并不会复杂很多。

我们假定你使用交叉编译工具链构建你的新内核—具体过程在技巧21中已经描述。同时你还需要在你的x86 Linux系统上安装make和ncurses-dev（或ncurses-devel）软件包。

如果你真的喜欢在树莓派上本地构建内核，确保你已经安装了gcc,、make以及libncurses-dev（或ncurses-devel），然后只要简单地从每一个命令行调用中忽略ARCH=arm和CROSS\_COMPILE=arm-rpi- linuxgnueabi-flags即可。你还需要有一个存在在运行的Linux文件系统中的树莓派Linux内核源代码树。

#### 2.2.1 下载内核源代码树 ####

首先，你需要下载一份树莓派Linux内核源代码树的副本。当前的开发版本下有几个分支：

![3dfcc615997037c24b9b2edaeeb5bde27d656be6][]

这是第一个树莓派Linux发行版使用的原始内核源码，不过此刻已经相当过时了。

![5475875be7453bb2133830e22fead11469a3a0d7][]

这是一个积极发展的内核源代码树，基于其所示的内核版本（撰写本书时为3.6.11）。

![9da07f52aa973c8c0064f870c3e65488be7ded10][]

创建这些分支的目的是为了跟踪各种新的内核。如果你需要使用新分支的特性，它们可以帮助到你。

本技巧中的教程适用于任何内核分支，但是我们强烈建议你先从rpi-3.6.y源代码树开始，因为它仍然在不停获得新功能，并具有因一些其他上游版本修补bug和新增特性所带来的额外价值这一优势。

无论哪种方式，你都需要从Git库check out树莓派Linux内核源代码树。我们推荐你把checkout的代码放到你笔记本Linux的～/raspi工作目录下（你在技巧04中已经创建了这个目录，但是如果它还不存在，那么只需要运行mkdir～/raspi即可）：

![e96140daa2fd68f985ac67c2631f50fcfc8ba982][]

当前缺省checkout的版本是3.6.y，但是你总是可以通过尝试手工切换到rpi-3.6.y分支的方式来确认此点：

![e379290fdda9faba17faead0b22c3de487c6833b][]

如果你想使用一个源代码树的不同版本（如基于3.2.27的版本），请使用同样的方法手动切换到rpi-$VERSION分支，仅需要用Git工具checkout的实际版本替换rpi-$VERSION。

或者，你也可以从GitHub网站下载一个包含代码树当前副本的打包压缩文件：

rpi-3.2.27: https://github.com/raspberrypi/linux/archive/rpi-3.2.27.tar.gz
    rpi-3.6.y: https://github.com/raspberrypi/linux/archive/rpi-3.6.y.tar.gz```
    这些链接应该永远不会过时，因为GitHub在你每次请求时都会生成这些tar压缩文件。这种方法具有速度上的些微优势，但我们通常更愿意checkout整个Git源代码树，因为这样我们就可以使用Git工具从上游仓库中更新最新的变化，而无需重新下载一个新的Linux内核源代码树。
    
    如果你下载了这些打包压缩文件（到～/raspi），只需要使用下列tar命令来解压它们：
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/2eda0566f51b144a69856fc2701df61c96f2eb90.png" width="" height="">
    </div>
    
    这将在～/raspi下面创建一个linux-rpi-3.6.y/ （或linux-rpi-$VERSION）目录（而git checkout创建的是一个linux/目录）。
    
    接下来，你需要确保你有一个干净的工作内核源代码树。进入到你的树莓派Linux内核源代码树目录，并运行：
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/36970a3cb282d4657ed39456455cdc6032e72c01.png" width="" height="">
    </div>
    
    
    Linux内核花絮
    
    Linux内核中包含了一个对目标make clean的命令，同时还有一个对目标make mrproper的命令。make mrproper是对目标的一种“超级清洁”指令，因为它做了所有clean目标指令所完成的工作，但远远不止这些（clean目标指令会留下一些生成的中间文件，而mrproper则将整个内核源代码树恢复到原始状态）。
    
    但为什么叫做mrproper？它得名于Proper先生，这是一个大家公认的清洁产品的吉祥物的国际通用名称。在美国，他被称为Clean先生。
    ####2.2.2 配置Linux内核
    现在，你可以开始配置Linux内核了。如果你以前从来没有做过，那么这将是一个艰巨的任务。但是，这并不意味着你不应该去试一试（这就是你买这本书的原因，对不对？）！
    
    成功的关键是从已知的可以在树莓派上工作的一个好的缺省配置开始。Linux内核源代码checkout文件中包含了一个基础的缺省配置文件，这个配置文件启用了支持树莓派嵌入的硬件的选项。只需将它复制到树莓派Linux内核源代码顶层目录即可（复制为.config文件）：
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/99270442de3dbd9b6aca9fca4653ce320023a0e5.png" width="" height="">
    </div>
    
    
    我们建议使用这种方法，因为它可以大大减少你之后不得不回答的问题数量。
    
    内核配置文件的其他来源
    
    还可以从其他地方得到内核配置文件。如果你有一个可以运行的树莓派Linux实例，而你只希望在它上面做轻微内核改动，那么你可以得到这个对应于该运行的内核映像的配置文件副本。要做到这一点，从这个树莓派Linux实例中输入下面语句：
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/efbbdc6c895b3c926cee2e150be99d0cf9590941.png" width="" height="">
    </div>
    
    然后，从树莓派Linux实例中将～/.config文件拷贝到你的Linux笔记本中，并将之放到你的树莓派Linux内核源代码目录下（名为.config文件）。
    
    你应该知道，如果你是从一个和你当前工作的源代码树不同版本的内核中获取的.config文件，则此文件未必匹配这些内核所具有的完全一样的配置选项。它仍然可以工作，但你最终将不得不在后续的步骤中回答许多关于这些丢失的选项的问题。
    
    我们在这里也在本书的GitHub仓库中放置了一份我们的树莓派内核配置文件的副本，如果没有其他配置文件可以工作的话，你应该可以使用它作为一个配置起点。要下载这个文件，只需clone我们的仓库：
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/1cd30de307928aec3b22151cb7c246b15ebeab83.png" width="" height="">
    </div>
    
    在新产生的rpihacks目录，你可以发现一个名为kernelbook.config的文件。将此文件拷贝到你的树莓派Linux内核源代码的顶层目录即可（拷贝为.config文件）。
    
    从这里开始，你将需要为所有的make调用指定ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-rpilinux-gnueabi-选项，这个选项告诉Linux内核代码你要使用某个特定的交叉编译工具链并且构建的是一个非原生的架构（ARM）。arm-rpi-linux-gnueabi-字符串结尾的“-”很重要，因为Makefiles将追加必要的二进制命令（例如，gcc、ar、ld等）到末尾。
    现在你需要确保这个基础配置文件被修订到最新：
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/78519196cd1854acacd0851894e79af7e9eb6b14.png" width="" height="">
    </div>
    
    这个命令会要求你提供没有定义在配置文件中的所有值的答案，你很可能会有相当多的一些选项需要填写。对其中绝大多数，你只需要简单地按Enter键接受缺省设置，但也有少数我们建议你在系统提示时做一下设置：

Cross-compiler tool prefix (CROSS\_COMPILE) \[\](NEW)

将这个值设置为arm-rpi-linux-gnueabi-。这并非完全必要，但为了避免遗憾发生，从安全的角度在这里做此设置。

Local version - append to kernel release (LOCALVERSION) \[\](NEW)

将这个值设置成一个独一无二的任何字段，这将帮助你区分你的自定义内核和其他预构建的内核映像。我们建议你把这个值设置成你很容易识别且和你项目相关的字段，或者包含构建日期之类的字段。
    
    这两个设置出现得很早（通常是你看到的最前面两个）。设置好它们之后，你只需要点击Enter键几百次，大约10多分钟的时间。不要太担心去阅读或更改那些选项，因为在下一步中有更好的方法来查找和做配置更改。只要不停地按回车键，直到看见这段话：
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/06bcbc4a3f22a4e18b68274e8f037eb1165ffee3.png" width="" height="">
    </div>
    
    
    当这句话出现的时候，你应该已经回到了shell提示符下。现在，你可以使用更好、更直观的menuconfig选项来更改特定的选项了。
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/eab7aeb3666d050743260f736c46dbe255e363d5.png" width="" height="">
    </div>
    
    这个命令会显示一个基于ncurses的文本用户界面（TUI）菜单配置系统，如图2-9所示。
    
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/a37e7ca7b6fbe15ea3f9444dc4028a1ae2189250.png" width="" height="">
    </div>
    
    你可以用方向键和回车键在这个系统中进行导航。
    
    在这里你可以进行各种配置更改。一般来说，你在这里做的修改应该是某个技巧所需要启用的驱动或特定的内核功能。虽然我们不可能列出所有的Linux内核配置选项（这将是一本完全不同的书），但我们确实可以指出本书中几个技巧所需要的选项。
    
    如果你不能确定某个选项，TUI可以让你看到一些特定配置选项的更多信息，通过使用右方向键移动到Help（当一个选项被高亮显示时）并按下回车键即可。接下来的界面就会在该选项的Kconfig语法名之下显示该选项的简短摘要（通常是英文的，虽然有时也使用了内核黑客的行话）。
    
    通常由两种方法可以启用选项：
    
    内编译（Compiled-in）
    
    如果你选择内编译一个功能或驱动，它在TUI中显示时将带有星号。你可以在该项高亮时通过敲击空格键来选择内编译它。将某项编译进Linux内核的优点是该功能/驱动将始终是活动的，不足之处是内核将变得更大，会使用更多的内存。
    
    模块编译（Modular）
    
    要将一个功能或驱动以模块的方式启用，只需在该项高亮时按下M键。并非所有选项都可以构建为模块，不过大多数都可以。
    
    PinMux
    
    模块化的驱动程序的一个优势是简化了对树莓派的PinMux控制。PinMux是临时性的引脚复用，树莓派采用的Braodcom的BCM2835片上系统使用了PinMux来决定哪个信号将出现在芯片的引脚。多路复用是必须的，因为可用信号的数量超过了可用的引脚数量。或者，简单地说，BCM2835的一些GPIO引脚在不同的时间可以连接到不同的地方。如果你的驱动作用了GPIO引脚，且该设备被编译成模块，那么你可以简单地通过加载/卸载模块来切换PinMux。
    你也应该知道，当在TUI中启用一些项目时，有可能会出现更多的项目（或者甚至出现新的子菜单）。
    
    在我们的书中有不少技巧都是通过I2C总线连接到树莓派的，所以你务必要启用“I2C支持”（CONFIG_I2C）。这个选项位于Device Drivers菜单下面，你需要把它编译到你的内核中。
    
    此外，你还需要进入I2C Support子菜单，并启用“I2C device interface”（CONFIG I2C_CHARDEV）和“Autoselect pertinent helper modules”（CONFIG_I2C_HELPER AUTO）的内编译支持。图2-10显示了正确启用这些选项的菜单。
    
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/9029cc11e44fc41e4a585f580d46da6b0fd06b6e.png" width="" height="">
    </div>
    
    然后，在“I2C Hardware Bus support”子菜单，启用BCM2708 BSC（CONFIGI2C BCM2708）驱动（同样，采用内编译，而不是模块），它是树莓派的I2C总线控制器的硬件驱动程序。BCM2708的I2C波特率默认为100000，这已经足够了。它应该看起来如图2-11所示。
    
    将某项启用为模块（“M”）几乎没有任何风险，除非其被标记为实验性的（EXPERIMENTAL）或危险性的（DANGEROUS）。然而，禁用在缺省配置中已经打开的项目是相当冒险的，除非你知道你正在做什么，否则让这些缺省设置保持原样可能更好。
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/92f8b430b9fc79f9aa192a08fca9a019f4f28bc7.png" width="" height="">
    </div>
    
    这就是说，不要被配置选项的绝对数量所吓倒，通过在菜单中导航和阅读帮助条目随意地探索，你也许会发现一些有趣的事情。
    
    当你配置完内核，返回到最上层菜单并选择退出的时候，TUI将提示你保存新配置。退出后回到shell提示符，此时你可以开始构建内核映像了。
    
    ####2.2.3 构建内核映像
    要加快构建速度，你可以通过使用make指令的-j选项来并行化编译。你需要知道你的构建系统上有多少个CPU核，以确定理想值。
    
    技巧21提供了有关这一概念更详细的解释，不过我们推荐尝试的基本公式是你的CPU核数目乘以1.5倍。例如，在一个八核的笔记本电脑上，这个值是12。使用-j选项运用此例子，最终的构建命令为：
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/c20738751f3d03fc2a9da211a0c9949d0a190fbd.png" width="" height="">
    </div>
    
    如果你不希望运行并行编译，只需要从上述命令中省去-j##选项（但是请注意，这将导致构建花费的时间显著增长）。
    
    此时，你的笔记本电脑在交叉编译核心Linux内核映像。根据你选择的选项，这个过程可能需要一段时间，但如果一切顺利的话，它将编译完成没有任何错误。接下来，你需要构建匹配的内核模块。
    
    为了保持核心Linux内核映像尺寸较小，许多设备的驱动程序、文件系统以及可选功能通常配置为编译成Linux内核模块，这构成了一个很大的文件树，其中每一个文件都是一个单独可加载的设备驱动程序。
    
    大多数Linux发行版（包括Pidora和Raspbian）都支持在需要时自动加载合适的内核模块，不过你可能会发现在有些场合你需要手动加载内核模块，这种模型还有助于内存管理和减小引导对象的尺寸，本书提供的缺省配置将尽可能地采用模块化。
    
    要启动Linux内核模块的编译，运行：
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/bc968deda465b4040af75dc4d1efe4603523e3ac.png" width="" height="">
    </div>
    
    
    模块编译也需要一定的时间，但它应该可以没有错误的完成编译。如果一个模块编译失败，你可能需要在内核配置中禁用它并重新启动整个过程，但这一般不太可能出现。现在，你仅仅需要安装你的新内核就可以了。
    
    ####2.2.4 安装新内核
    树莓派的核心Linux内核映像是一个zImage二进制文件的特殊格式副本，被编译成可执行的ARM启动文件。这个映像文件包含了Linux内核的主要功能以及启动进入Linux操作系统的所有必要的代码。
    
    这个文件由树莓派的GPU固件启动，它通常不是一个很大的文件（略小于3MB）。如果你已经如前面章节所述从源代码构建了一个定制的Linux内核，那么你可以在该内核源代码树中的arch/arm/boot/Image位置找到一份核心Linux内核映像文件的拷贝。
    
    要安装一个新内核，你需要将文件拷贝到安装树莓派Linux发行版的SD卡中。如果你尚未在你的Linux笔记本电脑上挂载SD卡，应先按照技巧02中的指导挂载它，要确保root和boot分区都被挂载，因为你需要复制文件到这两个分区。
    
    先复制新的核心Linux内核映像文件到挂载的SD卡上的boot分区：
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/e7407e3010ee20234b7532c9c5884d4137cceabe.png" width="" height="">
    </div>
    
    默认情况下，树莓派GPU固件试图从boot分区启动kernel.img文件。因为你现在要做的是安装一个新内核，你可能需要重写这个动作。
    
    如果你想启动一个其他文件名的文件，你可以通过在config.txt（可以在boot分区找到它）中添加一行来指定该文件。如果因为某种原因boot分区中没有config.txt文件（对于树莓派启动到Linux这个文件并非必要），你只需简单地创建一个这个名字的新文件即可。
    
    要启动一个指定的文件，编辑/mnt/raspi-boot/config.txt文件并添加一行如下：
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/209c48be1d9ba7b0871045da4a250718eda648de.png" width="" height="">
    </div>
    
    
    在这个例子中，树莓派GPU现在将在SD卡中的boot分区中查找new-kernel.img文件并尝试在启动时执行它。从方便角度出发，我们使用的就是我们拷贝过来的新内核映像文件名。我们在这里使用一个新的文件名是为了避免和已经存在的来自于树莓派Linux发行版的Linux内核映像文件kernel.img冲突。从这里开始，我们将假定树莓派Linux发行版配置为启动你的新内核映像文件（通过kernel=
    指定）。
    
    你需要拷贝的第二部分文件是预构建的匹配新内核映像文件的Linux内核模块。如果你从源代码构建了一个新Linux内核，你将需要安装你的新模块到一个临时目录中。要做到这一点，只需从你的内核源代码树的最上一层运行这些命令：
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/65d353fd7653cb0ac89a2b053ffd5d60dfb3b637.png" width="" height="">
    </div>
    
    不同于核心Linux内核映像文件（其必须放置于引导分区），内核模块位于root分区，具体来说，位于/lib/modules目录。安装它们你所需要做的是拷贝整个versioned目录（及其下面的子目录）到挂载的SD卡root分区的/lib/modules下面。对于你的定制内核，下面命令将拷贝适当的模块：
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/7063d18cb3e9e9d7f84324edc8a139b332e000e7.png" width="" height="">
    </div>
    
    
    ####2.2.5 安装后任务
    当将这些模块完全拷贝进root分区之后，确保你在挂载的SD卡boot分区中存在config.txt文件，并配置成以新内核映像文件启动（如果不配置，则以kernel.img启动）。然后运行几次sync命令以确保数据已经全部拷贝进SD卡中：
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/63382661b36fee8002d2fb5060b2895af4aaef64.png" width="" height="">
    </div>
    
    
    现在应该安全卸载SD卡分区并弹出SD卡。你可以从你的Linux笔记本电脑的GUI界面卸载这些分区，也可以从终端运行下面的命令手工卸载它们：
    
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/2c60ddc47e22b884dc89d4a46e5039b21c323447.png" width="" height="">
    </div>
    
    在试图运行umount命令之前请先确定将当前目录更改到任意一个非挂载分区的目录，否则命令将不会成功。
    
    接下来，把你的SD卡插入到树莓派并插上电源，你将会看到它成功的启动到Linux内核。当你登录之后，可以运行：
    
    
    <div style="text-align: center"><img src="https://yqfile.alicdn.com/660d084a0703ed64e7263fa626f3ff24ec280a96.png" width="" height="">
    </div>

[3dfcc615997037c24b9b2edaeeb5bde27d656be6]: /images/20220127/478f1d5d25db40649eda6ac0e33d4bfb.png
[5475875be7453bb2133830e22fead11469a3a0d7]: /images/20220127/f4f6878d7894409e951d77be4f560db4.png
[9da07f52aa973c8c0064f870c3e65488be7ded10]: /images/20220127/5dfea6fe3d064248963b38c6e256fdb3.png
[e96140daa2fd68f985ac67c2631f50fcfc8ba982]: /images/20220127/02a1f3a5f01f4966acb73bb46e0d3aa3.png
[e379290fdda9faba17faead0b22c3de487c6833b]: /images/20220127/d33121b586394c2aa03434f0caf0d3d8.png