基于Linux内核定制X86平台的微操作系统(很完整详尽文章).docx

基于Linux内核定制X86平台的微操作系统摘要：10前言20.1Linux系统简介20.2Linux的基本思想20.3Linux内核20.4Linux内核版本命名30.5Linux文件系统30.6Linux内核引导40.7Linux系统组成41平台的搭建41.1硬件平台41.2软件平台41.2.1Ubuntu系统的下载41.2.2Ubuntu系统的安装41.2.3Ubuntu系统的配置42Linux内核的编译52.1内核的下载52.2内核的定制52.3内核的编译52.4内核的制作63BusyBox的编译63.1BusyBox的下载63.2BusyBox的配置63.3BusyBox的编译74Linux文件系统的制作74.1文件系统的制作74.2文件系统的配置94.3文件系统的压缩75Linux引导程序配置105.1ISOLINUX的下载105.2ISOLINUX的配置106LinuxCD-ROM的制作107Linux定制系统的运行117.1VirtualBox下的运行117.2U盘引导在X86平台下的运行128定制系统过程中的问题128.1平台搭建中的问题128.2内核编译中的问题128.3BusyBox编译中的问题128.4文件系统制作中的问题128.5引导程序制作中的问题128.6CD-ROM制作中的问题138.7定制系统运行的问题13参考13基于Linux内核定制X86平台的微操作系统王林强（河南大学物理与电子学院通信专业，河南开封，475004）摘要：Linux是一种自由和开放，用C语言和汇编语言写成，并符合POSIX标准的类Unix操作系统。并且由于其可定制、可裁剪的特性，不仅在桌面操作系统中有重要的地位，而且在手机、平板电脑、路由器和视频游戏控制台等嵌入式设备有其巨大的优势。为了更好、更深入的了解及掌握Linux系统。本文详细的讲述并实践，如何从Linux内核源码，经过定制、裁剪、编译、制作文件系统、内核引导，iso光盘制作到最终完整的基于Linux内核定制的微操作系统。通过基于Linux内核定制的微操作系统的制作，深入的理解Linux内核的工作原理、文件系统结构、内核引导等，从而精通嵌入式开发。关键词：Linux；定制；嵌入式；微系统Animplementationofmicro-operatingsystembasedonthex86platformLinuxkernelcustomizationWangLin-qiang(SchoolofPhysicsandElectronics,HenanUniversity,HenanKaifeng475004,China)Abstract:Linuxisafreeandopen,andPOSIX-compliantUnix-likeoperatingsystemwritteninCandassemblylanguage.Andcanbecutbecauseofitscustomizablefeatures,notonlyinthedesktopoperatingsysteminanimportantposition,anditshugeadvantageintheembeddeddevices,mobilephones,tabletPCs,routers,andvideogameconsoles.InordertobetteranddeeperunderstandingofandmasterLinuxsystem.Thisarticletellsindetailandpractice,fromtheLinuxkernelsourcecodehasbeencustomized,cutting,compiling,productionfilesystem,kernelbootisoCD-ROMproductiontothefinalcompletecustommicro-operatingsystembasedonLinuxkernel.In-depthunderstandingoftheLinuxkernelworksthroughtheproductionofcustommicro-operatingsystembasedonLinuxkernel,filesystemstructure,coreguidance,soproficientinembeddeddevelopment.Keywords:Linux；customizable；embeddeddevelopment;micro-operatingsystem0前言Linux可安装在各种计算机硬件设备中，从手机、平板电脑、路由器和视频游戏控制台，到台式计算机、大型机和超级计算机。Linux是一个领先的操作系统，世界上运算最快的10台超级计算机运行的都是Linux操作系统。由于其免费、开源、可定制、可裁剪等特性使其在嵌入式领域获得巨大的发展，并占据大部分市场，深入的了解、掌握Linux的裁剪、定制、移植，对嵌入式更好的开发起着至关重要的作用，基于火热的嵌入式开发，未来市场中将需要更多精于Linux移植开发的工程师。0.1Linux系统简介Linux操作系统是一种自由和开放源码的类UNIX操作系统的一种克隆系统。它诞生于1991年的10月5日（这是第一次正式向外公布的时间）。以后借助于Internet网络，并经过全世界各地计算机爱好者的共同努力下，现已成为今天世界上使用最多的一种UNIX类操作系统，并且使用人数还在迅猛增长,目前存在着许多不同的Linux,但它们都使用了Linux内核。Linux操作系统的诞生、发展和成长过程始终依赖着以下五个重要支柱：UNIX操作系统、MINIX操作系统、GNU计划、POSIX标准和Internet网络。目前，Linux的发行版有很多，如Ubuntu，RedHat，Debian，Fedora等等。0.2Linux的基本思想Linux的基本思想有两点：第一，一切都是文件；第二，每个软件都有确定的用途。其中第一条详细来讲就是系统中的所有都归结为一个文件，包括命令、硬件和软件设备、操作系统、进程等等对于操作系统内核而言，都被视为拥有各自特性或类型的文件。至于说Linux是基于Unix的，很大程度上也是因为这两者的基本思想十分相近。0.3Linux内核Linux是最受欢迎的自由电脑操作系统内核。它是一个用C语言和汇编语言写成，符合POSIX标准的类Unix操作系统。Linux最早是由芬兰黑客林纳斯.托瓦兹（LinusB.Torvalds）为尝试在英特尔x86架构上提供自由免费的类Unix操作系统而开发的。该计划开始于1991年，在计划的早期有一些Minix黑客提供了协助，而今天全球无数程序员正在为该计划无偿提供帮助。技术上说Linux是一个内核。“内核”指的是一个提供硬件抽象层、磁盘及文件系统控制、多任务等功能的系统软件。一个内核不是一套完整的操作系统。一套基于Linux内核的完整操作系统叫作Linux操作系统，或是GNU/Linux。0.4Linux内核版本命名版本的格式为A.B.C，其中A,B,C代表：A大幅度转变的内核。这是很少发生变化，只有当发生重大变化的代码和核心发生才会发生。在历史上曾改变两次的内核：1994年的1.0及1996年的2.0。B是指一些重大修改的内核。内核使用了传统的奇数次要版本号码的软件号码系统（用偶数的次要版本号码来表示稳定版本）。C是指轻微修订的内核。这个数字当有安全补丁，bug修复，新的功能或驱动程序，内核便会有变化。自2.6.0(2003年12月）发布后，人们认识到，更短的发布周期将是有益的。自那时起，版本的格式为A.B.C.D，其中A,B,C,D代表：A和B是无关紧要的,C是内核的版本,D是安全补丁0.5Linux文件系统Linux继承了Unix操作系统结构清晰的特点。在linux下的文件结构非常有条理。/根目录|/bin存放二进制文件。|/boot存放Linux的内核及引导系统程序。|/cdrom挂载光驱文件系统。|/dev存放使用的外部设备。|/etc存放各种配置文件和子目录。|/home存放用户的主目录。|/lib存放系统动态连接共享库。|/lost+found存放意外崩溃和意外信息。|/mnt存放挂载储存设备的挂载目录。|/media挂载usb接口的移动硬盘。|/opt存放可选的程序。|/proc存放系统信息。|/root超级权限用户root的家目录。|/sbin存放系统管理员的系统管理程序。|/srv服务启动后，所需访问的数据目录|/sys一种虚拟的基于内存的文件系统。|/tmp临时文件目录。|/usr存放用户应用程序和文件。|/var存放系统日志。0.6Linux内核引导LILO（LInuxLOader)，LILO代表Linux加载程序。LILO是一个在系统启动时运行的程序，它允许选择用于引导计算机的操作系统。GNUGRUB（简称“GRUB”）是一个来自GNU项目的多操作系统启动程序。GRUB是多启动规范的实现，它允许用户可以在计算机内同时拥有多个操作系统，并在计算机启动时选择希望运行的操作系统。GRUB可用于选择操作系统分区上的不同内核，也可用于向这些内核传递启动参数。0.7Linux系统组成引导程序+Linux内核+文件系统=微Linux操作系统1平台的搭建Linux定制平台的正确选择、配置、安装、调试将为下面的系统制作提供有力的保证。并减少制作过程中问题发生的几率。1.1硬件平台处理器：Intel?Atom?CPUN4501.66GHz2内存：992.8M硬盘：WDCWD1600BEVS-00RST01.2软件平台本次平台采用采用XP+Ubuntu12.04双系统。系统1：MicrosoftWindowsXPProfessional2002ServicePack3系统2：Ubuntu12.041.2.1Ubuntu系统的下载请注意选择与自己硬件匹配的版本。本次平台的Ubuntu下载地址：/12.04/ubuntu-12.04-desktop-i386.iso1.2.2Ubuntu系统的安装Ubuntu12.04使用U盘安装双系统，并合理分区。正确安装之后的系统信息：版本12.04（precise）32位内核Linux3.5.0-rc1GNOME2.4.1内存：992.8M处理器：Intel?Atom?CPUN4501.66GHz2可用的磁盘空间：6.7GB1.2.3Ubuntu系统的配置装完双系统后，启动进入Ubuntu12.04，打开终端获得root权限：sudosu然后安装编译内核时需要的工具：apt-getinstallbuild-essentialkernel-packagelibncurses5-devlibqt3-headersbuild-essential(基本的编程库（gcc,make等）kernel-package(系统里生成kernel-image的一些配置文件和工具)libncurses5-dev(mekemenuconfig要调用的）libqt3-headers(makexconfig要调用的）注：其它工具在升级过程中可以按提示安装2Linux内核的编译Linux内核的编译是系统定制与裁剪的关键。要充分考虑系统所满足的硬件要求及限制，编译出最佳内核，充分发挥硬件和Linux内核的特性。2.1内核的下载本次定制使用当前最新的Linux3.5.0内核，可根据实际情况合适选择内核版本。Linux3.5.0内核的下载地址：/pub/linux/kernel/v3.0/testing/linux-3.5-rc1.tar.bz22.2内核的定制1：首先在终端下获得root权限sudosu2：把下载的内核源文件拷贝到/usr/src目录下cp/home/linux-3.5-rc1.tar.bz2/usr/src3：进入/usr/src目录cd/usr/src4：解压linux-3.5-rc1.tar.bz2在当前的目录下tar-jxvflinux-3.5-rc1.tar.bz25：解压后得到linux-3.5-rc1文件夹，文件夹内为内核的源代码，进入该文件夹cd/usr/src/linux-3.5-rc16：使用make命令进行内核定制makexconfig运行完后，会出现一个配置的窗口，然后按自己的定制要求对选项进行配置，此次定制的是微内核，故可不支持声卡、NFC等，主要配置CPU为Intel?Atom?CPU。配置完成后，选择file-saveas，默认保存为.config，选择save。2.3内核的编译1：进入linux-3.5-rc1文件夹，使用make命令开始编译bzImage内核文件(注意I为大写)。cd/usr/src/linux-3.5-rc1makebzImage根据电脑的配置情况，编译需要一段时间，编译成功后可在/usr/src/linux-3.5-rc1/arch/x86/boot找到生成的内核文件bzImage。2.4内核的制作1：对内核进行压制cp/usr/src/linux-3.5-rc1/arch/x86/boot/bzImage/root/vmlinuz后面制作CD-ROM时要用到vmlinuz，即定制成功的内核文件。3BusyBox的编译BusyBox是一个集成了一百多个最常用linux命令和工具的软件。BusyBox包含了一些简单的工具，例如ls、cat和echo等等，还包含了一些更大、更复杂的工具，例如grep、find、mount以及telnet。有些人将BusyBox称为Linux工具里的瑞士军刀。简单的说BusyBox就好像是个大工具箱，它集成压缩了Linux的许多工具和命令，也包含了Android系统的自带的shell。其目标是在一张软盘上创建一个可引导的GNU/Linux系统，这可以用作安装盘和急救盘。3.1BusyBox的下载这里选择1.20.0版本BusyBox的下载地址为：/downloads/busybox-1.20.0.tar.bz23.2BusyBox的配置BusyBox的配置程序和linux内核菜单配置方式近似。1：在终端下进入root权限sudosu2：将下载的BusyBox源文件拷贝到/usr/src/busybox文件夹下mkdir/usr/src/busybox3：解压busybox-1.20.0.tar.bz2cd/usr/src/busyboxtar-jxvfbusybox-1.20.0.tar.bz24：进入新生成的busybox-1.20.0文件夹，进行BusyBox的配置cd/usr/src/busybox/busybox-1.20.0makemenuconfig弹出一配置对话框，并配置需要编译进busybox的功能选项。下面为必选项：ShowverboseappletusagemessagesRuntimeSUID/SGIDconfigurationvia/etc/busybox.confBuildBusyBoxasastaticbinary(nosharedlibs)Dontuse/usr配置好后，退出并保存。3.3BusyBox的编译1：开始编译BusyBoxmakemakeinstall编译好后在busybox-1.20.0目录下生成子目录_install，里面的文件./busybox|bin|linuxrc-bin/busybox|sbin其中可执行文件busybox在bin目录下，制作文件系统将用到_install下的文件。(注：由于GCC与BusyBox不能很好的兼容，会出现很多问题，请参看后面的BusyBox编译中的问题。)4Linux文件系统的制作正如前面介绍的Linux文件系统一样，无论多小的Linux系统也许具有一个文件系统。4.1文件系统的制作1：在/usr下建一个目录tmp用来装文件系统并建立文件目录sudosumkdir/usr/tmpcd/usr/tmpmkdiretcusrvartmpprochomerootdevetc、proc、dev是一定要建的，bin和sbin拷贝_install下生成的。2：拷贝busybox-1.20.0下的_install文件夹到rootfs下cp-R/usr/src/busybox/busybox-1.20.0/_install/*/usr/tmp3：在dev文件夹下建立设备文件名：cd/usr/tmp/devcp-R/dev/console./cp-R/dev/null./cp-R/dev/zero./4：建立etc目录下的配置文件需要建立的文件：busybox.confgroupinittabmotdpasswdresolv.confshadow-fstabinit.dissuemtabprofileshadow1）其中init.d是从busybox-1.20.0源代码目录下拷贝过来。cp-R/busybox-1.20.0/examples/etc/init.d/usr/tmp/etc/把init.d拷过来后要更改其中的文件rcs。chmodu+x/usr/tmp/etc/init.d/rcs用记事本打开rcs，并写入下面的内容:#!/bin/shmount-oremount,rw/bin/mount-a/etc/mtabechoechoechoechoecho-enttWelcomtoDead_AngelLinuxnhostnameDead_Angel保存并退出。2）busybox.conf是一个空文件.3）fstab的内容如下：/dev/fd0/ext2defaults00none/procprocdefaults00/dev/cdrom/mnt/cdromudf,iso9660noauto,owner,kudzu,ro00/dev/fd0/mnt/floppyautonoauto,owner,kudzu004）group的内容如下：root:0:root5）inittab的内容如下：:sysinit:/etc/init.d/rcs:askfirst:/bin/shtty2:respawn:/bin/getty38400tty2tty3:respawn:/bin/getty38400tty3tty4:respawn:/bin/getty38400tty4#Stufftodowhenrestartingtheinitprocess:restart:/bin/init#Stufftodobeforerebooting:ctrlaltdel:/bin/reboot:shutdown:/bin/umount-a-r:shutdown:/bin/swapoff-aissueDead_AngelLinuxrelease0.16）motd的内容为空7）mtab的内容为空8）passwd的内容如下：root:0:0:root:/root:/bin/ash9）profile的内容如下：#/etc/profile:filefilefortheBourneshellsechoechoexportPS1=uhw$echoDonealiasll=ls-laliasdu=du-haliasdf=df-haliasrm=rm-iecho10）resolv.conf的内容如下nameserver211）shadow的内容如下：root1$adltAB9Sr/MSKqylIvSJT/:12705:0:99999:7:12）shadow-的内容如下：root1$DWU.tenP$B7ANiXoGoiZMwJR6Ih8810:12705:0:99999:7:4.2文件系统的压缩Linux初始RAM磁盘（initrd）是在系统引导过程中挂载的一个临时根文件系统，用来支持两阶段的引导过程。initrd文件中包含了各种可执行程序和驱动程序，它们可以用来挂载实际的根文件系统，然后再将这个initrdRAM磁盘卸载，并释放内存。在很多嵌入式Linux系统中，initrd就是最终的根文件系统。制作img映象文件：1：先返回我们的主目录cd2：建立一个8M的空间用来放我们的跟文件系统ddif=/dev/zeroof=initrd.imgbs=1kcount=81293：将它格式化为ext2的文件系统，然后挂载mke2fs-F-v-m0initrd.imgsudomkdir/mnt/initrdsudomount-oloopinitrd.img/mnt/initrd4：接着把我们做好的文件系统复制进去：sudocp-av/usr/tmp/*/mnt/initrd5：复制完后，卸载initrdsudoumount/mnt/initrd6：压缩根文件系统镜像：gzip-fv9initrd.imgmvinitrd.img.gz/usr/initrd.gz到此，我们的就完成了根文件系统的制作，/usr/initrd.gz将在制作CD-ROM时用到。5Linux引导程序配置ISOLINUX是专门用来引导可移动介质的轻量级引导程序，因为这样的介质通常不会固定只针对一种硬件。ISOLINUX其实是一个简单的Linux系统。5.1ISOLINUX的下载ISOLINUX的下载地址：/pub/linux/utils/boot/syslinux/syslinux-4.05.tar.gz5.2ISOLINUX的配置制作bootloader，因为我们用的是LiveCD，所以我们就选用isolinux作为我们的bootloader。1：下载好后，解压到/usr/isolinux目录下mkdir/usr/isolinuxtar-jxvfsyslinux-4.05.tar.gz/usr/isolinux2：建立一个临时文件夹，并把isolinux.bin拷进去mkdir-p/usr/tmpcp/usr/isolinux/syslinux-4.05/core/isolinux.bin/usr/tmp3：创建isolinux的配置文件gedit/usr/tmp/isolinux.cfgisolinux.cfg的内容是：DEFAULTvmlinuzinitrd=initrd.gzkernelvmlinuzappendinitrd=/initrd.gzload_ramdisk=1prompt_ramdisk=0ramdisk_size=60000rwroot=/dev/ram编辑好后保存退出。6LinuxCD-ROM的制作整合并制作LiveCD1：在root目录下创建以个透明片文件夹mkdir/root/tmp2：将我们定制的内核vmlinuz拷贝到该目录下cp/root/vmlinuz/root/tmp3：将我们制作的文件系统initrd.img拷贝到改目录下cp/usr/initrd.gz/root/tmp4：将我编写的引导文件isolinux.bin、isolinux.cfg拷贝到改目录下cp/usr/tmp/*/root/tmp5：生成iso文件mkisofs-oDead_Angel_linux_V1.10.iso-b/boot/tmp/isolinux.bin-c/boot/tmp/boot.cat-no-emul-boot-boot-load-size4-boot-info-table/home最后，在我们的home底下就生成了一个Dead_Angel_linux_V1.10.iso的光盘镜像，至此，一个基于Linux内核定制的x86平台微操作系统就制作好了。7Linux定制系统的运行用UNetbootin可以轻松的把Linux操作系统装进U盘，可将