如何编译并运行Linux系统？

前言

学习Linux内核是一件振奋人心的事情，而在学习伊始对Linux内核的成功编译并运行也更会燃起更足的动力去钻研。本文从下载并编译Linux内核、编译busybox、制作一个最小的根文件系统，最后用qemu启动你编译好的内核和根文件系统，初步感受Linux内核的魅力所在。

首先明确两点：

配置内核就是你来决定编码哪些代码；
编译内核就是生成可执行文件的一个过程。

再明确内核文件的产物名称：

vmlinux：原始的，未经压缩的内核可执行文件
zImage：压缩过的可执行文件——压缩vmlinux后，加上一个head part（用来解压）
uImage：用于给uboot引导的zImage
bzImage：即bigzImage ，通过gzip压缩的

好了，明确了上述几点，就可以开始实验了。本文的实验环境如下：

Linux系统：ubuntu 20.04
linux源码版本：linux-4.9.229
busybox源码版本：busybox-1.30.0
qemu-system-x86_64版本：2.0.0

实验目标：

编译Linux内核源码
编译busybox
制作一个简版文件系统
制作根文件系统镜像文件
利用qemu运行linux内核

1.下载并编译Linux内核

Index of /pub/linux/kernel/v4.x/mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/

下载并解压后，进入目录。

1.指定硬件体系架构

为了演示方便，选用了x86架构，如果编译arm则需要再下载对应的toolchain。

1	$ export ARCH=x86

2.配置board config

1	$ make x86_64_defconfig

3.配置内核

这一步其实是对第2步的进行微调，这里我们使用基于ncurse库编制的图形界面工具：

1	$ make menuconfig

如果执行该命令时出现：

原因：缺少ncurses dev工具

1	sudo apt-get install libncurses5-dev

如果需要内核支持ramdisk驱动，需要选中如下配置：

General setup  --->
       ----> [*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
    Device Drivers  --->
       [*] Block devices  --->
               <*>   RAM block device support
               (65536) Default RAM disk size (kbytes)

4.编译内核

1	$ make -j8

编译成功后的内核位于：arch/x86_64/boot/bzImage

至此，内核编译完成。

2. 编译busybox

什么是busybox？

busybox号称“嵌入式Linux的瑞士军刀”。BusyBox工具小巧高效，可以替代一大批常用的标准Linux命令行工具，功能有所简化，非常适合资源有限的嵌入式平台。BusyBox是模块化且高度可配置的，可以对其进行裁剪以满足特定需求。

在如下链接下载busybox：

https://busybox.net/downloads/busybox.net/downloads/

我们以busybox-1.30.0作为实验对象。

下载之后解压并进入该busybox目录开始配置并编译。这里把busybox配置为静态编译，这样不依赖其他动态库比较容易操作和演示。编译则似曾相识，与编译内核的指令是一样的！

$ make menuconfig

Busybox Settings  --->
      Build Options  --->
            [*] Build BusyBox as a static binary (no shared libs)

配置完之后进行编译和安装

1	$ make && make install

make是编译busybox，make install是为了在对应目录中编译安装一系列的工具。

编译完成后的busybox就安装在源码根目录下的_install目录了。

至此，我们对Linux内核和busybox进行了配置和编译。光编译肯定不过瘾，接下来演示基于busybox制作一个简单的文件系统，并通过qemu模拟器运行Linux，真正的让内核工作起来！

3. 制作一个简版文件系统

编译完成后的busybox就安装在源码根目录下的_install目录了，我们进入_install目录，补充一些必要的文件或目录，相关的shell命令如下：

$ mkdir -p etc dev mnt proc sys tmp mnt
$ mkdir -p etc/init.d/

$ mkdir etc dev mnt
$ mkdir -p proc sys tmp mnt
$ mkdir -p etc/init.d/
$ vim etc/fstab
proc        /proc           proc         defaults        0        0
tmpfs       /tmp            tmpfs      defaults        0        0
sysfs       /sys            sysfs        defaults        0        0
$ vim etc/init.d/rcS
echo -e "Welcome to tinyLinux"
/bin/mount -a
echo -e "Remounting the root filesystem"
mount  -o  remount,rw  /
mkdir -p /dev/pts
mount -t devpts devpts /dev/pts
echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
mdev -s
$ chmod 755 etc/init.d/rcS
$ vim etc/inittab
::sysinit:/etc/init.d/rcS
::respawn:-/bin/sh
::askfirst:-/bin/sh
::ctrlaltdel:/bin/umount -a -r
$ chmod 755 etc/inittab
$ cd dev
$ sudo mknod console c 5 1
$ sudo mknod null c 1 3
$ sudo mknod tty1 c 4 1

4. 制作根文件系统镜像文件

思路：

先制作一个空的镜像文件；
然后把此镜像文件格式化为ext3格式
接着把此镜像文件挂载，并把根文件系统复制到挂载目录
卸载该镜像文件。
打成gzip包。

#!/bin/bash
rm -rf rootfs.ext3
rm -rf fs
dd if=/dev/zero of=./rootfs.ext3 bs=1M count=32
mkfs.ext3 rootfs.ext3
mkdir fs
mount -o loop rootfs.ext3 ./fs
cp -rf ./_install/* ./fs
umount ./fs
gzip --best -c rootfs.ext3 > rootfs.img.gz

最终生成的文件系统镜像名字为：rootfs.img.gz

准备好了内核和文件系统镜像，接下来就是见证奇迹的时刻！

5. qemu运行linux内核

$ qemu-system-x86_64 \
  -kernel ./linux-4.9.229/arch/x86_64/boot/bzImage  \
  -initrd ./busybox-1.30.0/rootfs.img.gz   \
  -append "root=/dev/ram init=/linuxrc"  \
-serial file:output.txt

这样一个完整的Linux系统就起来啦!