故事开始的地方，深入 Linux 系统的启动流程，自己编译内核并制作根文件系统，并使用 QEMU 模
拟启动.
跟我一起来到故事开始的地方，深入 Linux 系统的启动流程，自己编译内核并制作根文件系统，并使用 QEMU 模拟启动。
昨天看到阮老师两篇文章 《计算机是如何启动的？》和 《Linux 的启动流程》，对计算机的启动流程有了更加深入的理解，正好最近在做国产申威处理器的虚拟化支持性调研，称此机会深入了解一下 Linux 系统的启动流程，并使用 QEMU 模拟这一流程。
说明：本文介绍的方法同样可用于内核调试，但侧重于介绍 使用 QEMU 模拟 Linux 的启动流程 。本文核心内容参考了 USTC 2021年春季『操作系统原理与设计』 课程实验，结合网络文献和自己的实验整理而来。
如果对于 Linux 的启动流程不够熟悉，可以先看一下上面提到的文章，之后回到本文继续。
看过文章后应该对启动流程有了大概认识，本文会介绍自制一个简单的根文件系统，即 initramfs （基于 ramfs 的临时文件系统，一种以 cpio 格式压缩后的 rootfs 文件系统），如果对这个概念不太理解，可以来看一下 《 USTC 2021年春季操作系统原理与设计 课程实验一：编译运行Linux内核并通过QEMU+GDB调试》中 实验说明 的『先导知识部分』。
本文会分别使用一个 helloworld 程序 和 busybox 分别生成根文件系统并启动。
简单说一下环境：
Ubuntu 20.04.3 LTS5.11.0-40-genericQEMU emulator version 4.2.1 (Debian 1:4.2-3ubuntu6.18)4.9.263busybox-1.32.1下面介绍使用 QEMU 模拟启动内核和根文件系统的方法，让 Linux 启动流程有一个更加具体的认识。为了模拟启动，需要准备编译好的内核 bzImage 和根文件系统，下面分别介绍。
本文使用 linux-4.9.263 版本内核为例，首先获取内核源码：
$ mkdir ~/kvm
$ cd ~/kvm
$ wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.9.263.tar.xz
#下载备用链接: https://od.srpr.cc/acgg0/linux-4.9.263.tar.xz
$ tar -Jvxf linux-4.9.263.tar.xz #解压
# 安装编译内核所需的依赖
$ sudo apt-get install git build-essential libelf-dev xz-utils libssl-dev bc libncurses5-dev libncursesw5-dev
准备好编译环境后，开始对接下来的编译做一个配置，这里提供两种方案，选一即可。
cd ~/kvm/linux-4.9.263
wget https://gitee.com/songtianlun/USTC_OS/raw/master/term2021/lab1/.config
# 备用链接:
# https://git.lug.ustc.edu.cn/gloomy/ustc_os/-/raw/master/term2021/lab1/.config
# http://222.186.10.65:8080/directlink/3/.config
# https://raw.githubusercontent.com/ZacharyLiu-CS/USTC_OS/master/term2021/lab1/.config
# https://gitee.com/songtianlun/USTC_OS/raw/master/term2021/lab1/.config
# 说明：直接使用 USTC 提供的配置好的精简 .config ，可以用于快速看到效果，若想深入了解配置含义需自行查阅资料。
make menuconfig )详述(编译时间较长，占空间)cd ~/oslab/linux-4.9.263
make menuconfig #本次实验直接选择Save,然后exit
有了内核编译配置，即可开始编译：
make -j $((`nproc`-1))
# 编译线程数的选择上，一种说法是使用(你的CPU核心数-1)个线程进行编译，一种说法是使用 CPU核心数*2，自行调整即可，只影响编译速度，对编译结果没有影响。
...
Kernel: arch/x86/boot/bzImage is ready (#1)
# 最后出现这个即为成功，我们后面会启动这个 bzImage
在这里也提供两种方案，后面可以分别启动，实测均可启动成功。
这里写一个简单的 helloworld 程序，正常启动后在终端打印 hello world! ，源码如下：
/*************************************************************************
> File Name: hello.c
> Description: hello.c
> Author: songtianlun
> Mail: songtianlun@frytea.com
> Created Time: 2021-11-16 12:39:37
************************************************************************/
#include <stdio.h>
void main()
{
printf("Hello World\n");
printf("世界，你好！\n");
printf("Hello World\n");
fflush(stdout);
while(1);
}
之后使用静态链接编译，使用 cpio 制作成 rootfs
$ cd ..
使用静态编译链接．
$ gcc -static -o helloworld hello.c
将helloworld制作成cpio
$ echo helloworld | cpio -o --format=newc > rootfs
1776 blocks
$ ls -la rootfs
-rw-rw-r-- 1 seijia seijia 909312 12月 21 13:15 rootfs
BusyBox是一个遵循GPL协议、以自由软件形式发行的应用程序。Busybox在单一的可执行文件中提供了精简的Unix工具集，可运行于多款POSIX环境的操作系统，例如Linux（包括Android）、Hurd、FreeBSD等等。由于BusyBox可执行文件的文件比较小，使得它非常适合使用于嵌入式系统。作者将BusyBox称为“嵌入式Linux的瑞士军刀”。 —— BusyBox By Wikipedia
首先获取源码：
$ cd ~/kvm
$ wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.32.1.tar.bz2
#下载备用链接: https://od.srpr.cc/acgg0/busybox-1.32.1.tar.bz2
$ tar -jxvf busybox-1.32.1.tar.bz2
$ cd ~/kvm/busybox-1.32.1
之后编译并安装：
# 编译busybox
$ make menuconfig
#修改配置如下：(空格键勾选)
Settings –>
Build Options
[*] Build static binary（no share libs）
# 编译并安装
$ make -j $((`nproc`-1))
$ sudo make install
现在我们已经有了 busybox 相关的源程序，下面开始准备根文件系统：
cd ~/kvm/busybox-1.32.1/_install
sudo mkdir dev
sudo mknod dev/console c 5 1
sudo mknod dev/ram b 1 0
sudo touch init
这里的
mknode分别创建了一个面向块设备和一个面向字符设备的特殊文件。
将以下内容写入 init
#!/bin/sh
echo "INIT SCRIPT"
mkdir /proc
mkdir /sys
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mkdir /tmp
mount -t tmpfs none /tmp
echo -e "\nThis boot took $(cut -d' ' -f1 /proc/uptime) seconds\n"
exec /bin/sh
下面开始生成 rootfs
# 首先为 init 赋予可执行权限
$ sudo chmod +x init
# 进入 busybox 编译成果目录
cd ~/kvm/busybox-1.32.1/_install
# 使用 cpio 制作成 rootfs，为区分方法一，这里使用另一个名称并压缩
find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ~/kvm/initramfs-busybox-x64.cpio.gz
# 注意：该命令一定要在busybox的 _install 目录下执行
# 注意：每次修改_install,都要重新执行该命令
经过上述准备，终于要启动了！
根文件制作过程如果是采用了 方案一 ，使用下面命令启动：
$ qemu-system-x86_64 -s \
-kernel ./linux-4.9.263/arch/x86/boot/bzImage \
-initrd ./rootfs \
-append "root=/dev/ram rdinit=/helloword"
# 注意指定正确的内核和根文件系统位置
可以看到启动成功后打印出了 hello world。
如果采用 方案二 ，使用下面命令启动：
$ qemu-system-x86_64 -s \
-kernel ./linux-4.9.263/arch/x86/boot/bzImage \
-initrd initramfs-busybox-x64.cpio.gz \
--append "nokaslr root=/dev/ram init=/init"
# 注意指定正确的内核和根文件系统位置
使用 busybox 制作的 rootfs 提供了一些基础的命令可供使用。
为了在 QEMU 中模拟 Linux 的启动流程，在网上找了许多教程，踩了很多坑，最后找到的 USTC 实验说明真是帮助很大，做完后对 Linux 启动流程有了更加深刻的理解，果然在计算机的世界里，必须亲眼看到才能真正正确的理解。希望这份教程能够帮到你。
此内容由惯性聚合(RSS阅读器)自动聚合整理，仅供阅读参考。 原文来自 — 版权归原作者所有。