Release log:
2021-04-18 日: 完成初版
2021-05-30 日: 添加制作 busybox 根文件系统的方法，解决 qemu 无法 nographic 运行的问题
原文地址
参考
《庖丁解牛Linux内核分析》
环境说明
操作系统: Ubuntu 20.04.2 LTS(lsb_release -a)
内核版本: 5.4.0-58-generic(uname -a)
qemu 版本: QEMU emulator version 4.2.1 (Debian 1:4.2-3ubuntu6.15)
linux 源码: linux-3.18.6
qemu 简介以及安装
Qemu 是纯软件实现的虚拟化模拟器，几乎可以模拟任何硬件设备，我们最熟悉的就是能够模拟一台能够独立运行操作系统的虚拟机，虚拟机认为自己和硬件打交道，但其实是和 Qemu 模拟出来的硬件打交道，Qemu 将这些指令转译给真正的硬件
至于怎么安装 qemu，因为之前没有记录步骤，这里就不描述了，网上资料很多
准备环境
在运行 qemu 之前，我们需要准备好内核镜像文件以及一个简易的内存根文件系统
编译内核
首先我们需要下载 linux 内核源码，我使用的是 linux-3.18.6.tar.gz。如果你们需要其他版本的源码，可以 点击这里
下载完成之后，解压文件，然后编译内核镜像，得到一个带有调试信息的 bzImage 文件，命令如下。(我的是 64 位系统，但是想编译成 32 位的镜像)
$ tar -xvzf linux-3.18.6.tar.gz
$ cd linux-3.18.6/
$ make i386_defconfig
$ make menuconfig
Kernel hacking --->
Compile-time checks and compiler options --->
[*] Compile the kernel with debug info
$ make CC=gcc-4.7
关于 make menuconfig，相信大家应该是知道的，网上也有不少资料。如果执行 make menuconfig 提示错误，网上也有不少资料
我本地的 gcc 默认版本是 gcc-9.3，如果使用此 gcc 编译 linux-3.18.6 则会报错，所以需要指定使用 gcc-4.7 来编译
制作简化的文件系统
内核启动之后，会加载根文件系统中名为 init 的可执行文件。搭建完善的根文件系统会比较麻烦，此处我们制作一个简化的内存根文件系统。步骤如下
1、创建一个名为 rootfs 的目录: mkdir rootfs
2、创建一个 init.c 的文件以及 Makefile 文件，文件内容如下
3、执行 make 命令，生成 rootfs.img 文件
// rootfs/init.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
char inStr[256] = {0};
printf("init running...\n");
while (1)
{
printf("now, you can input some words: ");
fgets(inStr, sizeof(inStr), stdin);
printf("%s\n", inStr);
}
return 0;
}
// rootfs/Makefile
all:
gcc-9 myinit.c -o init -static -m32
find init | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img
制作 busybox 根文件系统
步骤如下:
- 到网站下载 busybox 源码(我这里使用的是 1.33.0): https://busybox.net/downloads/
- 解压: tar -xvjf busybox-1.33.0.tar.bz2
- 配置 busybox，使用静态编译: make menuconfig
Settings ---> [*] Build static binary (no shared libs) - 编译 busybox: make CC=“gcc -m32”
- 安装 busybox: make CC=“gcc -m32” install
- 制作 rootfs:
$ cd _install $ mkdir -p proc sys dev etc/init.d $ sudo mknod dev/ttyAMA0 c 204 64 $ sudo mknod dev/null c 1 3 $ sudo mknod dev/console c 5 1 $ 创建 /etc/inittab 和 /etc/init.d/rcS 文件 $ find . | cpio -o --format=newc > ../rootfs.img
补充 /etc/inittab 和 /etc/init.d/rcS 文件的内容
// /etc/inittab
::sysinit:/etc/init.d/rcS
::askfirst:/bin/ash
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdown:/sbin/swapoff -a
::shutdown:/bin/umount -a -r
::restart:/sbin/init
// /etc/init.d/rcS
#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
/bin/mount -n -t sysfs none /sys
/bin/mount -t ramfs none /dev
/sbin/mdev -s
使用 qemu 运行内核
使用命令加载并运行内核:
qemu-system-i386 -kernel ./linux-3.18.6/arch/i386/boot/bzImage -initrd ./rootfs.img -append "root=/dev/ram rdinit=/sbin/init console=ttyS0" -nographic -smp 2
这里的 rootfs.img 文件可以选择简化版的或者 busybox 版本的任何一个即可
如果使用 -nographic，则需要带 -append “console=ttyS0” 参数，否则可能运行不了。如果想退出，需要先按 ctrl+a，然后按 z。如果没有使用 -nographic 参数，则会以图形化界面运行，此时可以同时按下 ctrl-alt-q 强制退出
使用 qemu + gdb 分析内核流程
跟踪调试内核
使用 gdb 跟踪调试内核，启动 qemu 时需要加两个参数，一个是 -s(在 1234 端口上创建一个 gdb-server)，另一个是 -S（CPU 初始化之前冻结起来)。则启动 qemu 的命令变成了:
qemu-system-i386 -kernel ./linux-3.18.6/arch/i386/boot/bzImage -initrd ./rootfs.img -append "root=/dev/ram rdinit=/sbin/init console=ttyS0" -nographic -S -s -smp 2
在另一个窗口启动 gdb，把内核加载经来，建立连接
$ gdb
(gdb) file linux-3.18.6/vmlinux
(gdb) target remote:1234
我们可以设置断点为 start_kernel(void)，在这个函数之前，内核代码主要是汇编语言写的。然后执行 c 开始运行
(gdb) b start_kernel
(gdb) c
使用 gdb 跟进，会发现在 start_kernel->rest_init 中创建内核线程，在这个线程中执行 kernel_init。
if (ramdisk_execute_command) {
ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);
if (!ret)
return 0;
pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n",
ramdisk_execute_command, ret);
}
ramdisk_execute_command 指向 “init”，即我们前面创建的可执行文件。调用 run_init_process 创建 init 进程
使用 busybox 制作根文件系统
此部分内容参考 https://www.anquanke.com/post/id/85837
步骤如下:
- 到网站下载 busybox 源码(我这里使用的是 1.33.0): https://busybox.net/downloads/
- 解压: tar -xvjf busybox-1.33.0.tar.bz2
-
配置 busybox，使用静态编译: make ARCH=i386 menuconfig
在配置界面:
Settings ---> [*] Build static binary (no shared libs) - 编译 busybox: make ARCH=i386
小知识
区分 vmlinux bzImage zImage
vmlinux 是编译出来的最原始的 ELF 文件
bzImage 和 zImage 是 vmlinux 经过 gzip 压缩后的文件，b 代表 big，bzImage 解压缩内核到高端内存(1M以上)，适用于大内核，也可用于小内核；老的 zImage 解压缩内核到低端内存(第一个640K)，适用于小内核，不能用于大内核
bzImage 和 zImage 不仅是一个压缩文件，而且在这两个文件的开头部分内嵌有 gzip 解压缩代码。所以你不能用 gunzip 或 gzip –dc 解包
![linux-svn卸载与安装[图]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=)