第4章 Linux基础入门

第4章：Linux基础入门：内核裁剪与编译、设备树配置、根文件系统构建

好，咱们进入正题。这一章讲的是Linux基础入门，但别小看“基础”这两个字。内核裁剪、设备树、根文件系统——这三样东西，说白了就是嵌入式Linux的“三驾马车”。你跑不起来，多半是其中一环出了问题。

我个人习惯把这三件事分开讲，但心里要清楚：它们是联动的。内核配错了，设备树再对也没用；根文件系统缺个库，应用就跑不起来。嗯，咱们一个一个来。

4.1 Linux内核裁剪与编译

内核裁剪，说白了就是“瘦身”。你想想看，一个通用Linux内核有好几万个驱动，你的板子上可能只用到了几十个。剩下的全是累赘。

我在项目中遇到过一块Flash只有16MB的板子，默认内核编译出来快30MB。根本烧不进去。后来裁剪到4MB，跑得稳稳的。

4.1.1 获取内核源码

先从官网或者你的芯片厂商那里拿到内核源码。我建议用长期支持版（LTS），稳定。

# 以Linux 5.10 LTS为例
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.10.100.tar.xz
tar -xf linux-5.10.100.tar.xz
cd linux-5.10.100

4.1.2 配置内核

配置内核有几种方式。我个人最常用的是menuconfig，图形界面，直观。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

进去之后，你会看到一堆菜单。别慌。核心思路是：

关掉不需要的驱动：比如你的板子没有WiFi，就把无线网络驱动全关了。
保留必要的文件系统支持：ext4、squashfs、initramfs这些，看你的根文件系统类型。
开启调试选项：初期开发阶段，建议打开Kernel hacking里的printk和early printk。

小技巧：如果你是从芯片厂商的BSP开始，先拿他们的默认配置做基础。别自己从头配，太容易漏东西。我曾经因为漏了串口驱动，折腾了一整天。

4.1.3 编译内核

配置好了，直接编译。注意指定架构和交叉编译器。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j4 zImage
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j4 modules

这里-j4是并行编译，看你CPU核心数。我习惯用-j$(nproc)自动检测。

编译完成后，你会得到arch/arm/boot/zImage。这就是你的内核镜像。

注意：如果你的板子是64位的，用Image而不是zImage。别搞混了，否则启动时会直接卡住。

4.2 设备树配置

设备树（Device Tree），说白了就是告诉内核“你的板子上有什么硬件”。以前老内核用板级文件（board file），硬编码。现在都改用设备树了，灵活得多。

我记得第一次接触设备树时，觉得它就是个“硬件描述语言”。其实没那么玄乎，就是个树形结构，描述CPU、内存、外设的地址和中断。

4.2.1 设备树的基本结构

一个典型的设备树文件（.dts）长这样：

/dts-v1/;

/ {
    model = "My Custom Board";
    compatible = "vendor,myboard";

    chosen {
        stdout-path = &uart0;
    };

    memory@80000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x80000000 0x10000000>;  // 256MB
    };

    uart0: serial@10000000 {
        compatible = "ns16550";
        reg = <0x10000000 0x1000>;
        interrupts = <0 20 4>;
        clock-frequency = <24000000>;
    };
};

看到没？每个节点就是一个硬件设备。属性里写的是它的配置参数。

4.2.2 编译设备树

设备树源文件（.dts）需要编译成二进制（.dtb），内核才能用。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- myboard.dtb

或者手动用dtc工具：

dtc -I dts -O dtb -o myboard.dtb myboard.dts

  关键点：设备树里的compatible属性必须和内核驱动里的匹配。否则驱动不会加载。我踩过这个坑，明明驱动写好了，就是没反应，最后发现是compatible拼写错了。

4.2.3 设备树覆盖

有时候你需要动态修改设备树，比如接一个扩展板。这时候可以用设备树覆盖（overlay）。

我个人觉得这个功能在调试阶段特别有用。不用重新编译整个内核，改个.dts文件，加载一下就行。

4.3 根文件系统构建

根文件系统，就是Linux启动后挂载的“/”目录。它里面要有init程序、库文件、配置文件、应用等等。

构建根文件系统，主流工具有两个：Buildroot 和 Yocto。我两个都用过，说说我的感受。

4.3.1 Buildroot：轻量级首选

Buildroot适合做小系统。配置简单，编译快。我做一个简单的IoT网关，用Buildroot半小时就能搞定。

基本用法：

git clone https://git.buildroot.net/buildroot
cd buildroot
make menuconfig

在菜单里选择：

Target architecture：ARM
Toolchain：用外部工具链或Buildroot自己编译
Filesystem images：选ext4或squashfs

然后：

make

编译完成后，output/images/下就有根文件系统镜像了。

经验之谈：Buildroot的包管理是“全编译”模式。你加一个包，它会重新编译整个系统。所以第一次编译慢，后面加包就快了。我习惯先配好所有需要的包，再一次性编译。

4.3.2 Yocto：大型项目的选择

Yocto功能更强大，但学习曲线也陡。它用BitBake作为构建引擎，支持复杂的依赖关系和定制化。

我参与过一个工业控制项目，用了Yocto。因为它需要支持多种硬件平台、多种软件栈，Yocto的层（layer）机制特别适合这种场景。

基本步骤：

git clone git://git.yoctoproject.org/poky
cd poky
source oe-init-build-env
bitbake core-image-minimal

Yocto的配置文件在conf/local.conf里。你可以指定目标架构、包类型、调试选项等。

特性	Buildroot	Yocto
编译速度	快	慢（第一次可能几小时）
定制化程度	中等	高
学习曲线	平缓	陡峭
适用场景	小系统、原型验证	大型产品、多平台

4.3.3 手动构建根文件系统

如果你想彻底搞懂根文件系统，可以手动构建。虽然麻烦，但能学到东西。

基本步骤：

创建目录结构：bin, sbin, etc, lib, usr, dev, proc, sys
复制BusyBox到bin/，它提供基本的shell和命令
复制交叉编译的库文件到lib/
创建/etc/inittab和/etc/fstab
创建设备节点：mknod /dev/console c 5 1

嗯，手动构建确实繁琐。我建议新手先用Buildroot，等熟悉了再尝试手动。

避坑指南：我曾经手动构建时忘了复制ld-linux.so，结果所有动态链接的程序都跑不起来。检查了半天才发现。所以，lib/目录一定要完整。

4.4 三者的整合

内核、设备树、根文件系统，这三者最终要整合在一起，才能启动系统。

启动流程大致是：

Bootloader（如U-Boot）加载内核和设备树到内存
内核解析设备树，初始化硬件
内核挂载根文件系统，启动init进程

所以，你在开发时要确保：

内核配置正确（驱动、文件系统支持）
设备树描述准确（地址、中断、时钟）
根文件系统完整（init、库、应用）

任何一个环节出问题，系统都起不来。调试时，我习惯先看内核启动日志（通过串口），看它卡在哪一步。是设备树解析失败？还是根文件系统挂载不上？日志会告诉你。

好了，这一章的内容就到这里。下一章我们会深入Bootloader的配置和调试，到时候再聊。

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