操作系统基础 | 2.3 初试linux内核实验

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注意：本教学实验因为使用较早版本的树莓派Linux内核，内核源码的symlink仅适配Linux系统，请使用Linux平台主机进行交叉编译，若要使用window主机编译请更换使用的内核

1. 下载适用于树莓派的内核源码

一般项目可以直接去 kernel.org 下载 Linux 源码，但本课程针对树莓派，需要用树莓派官方维护的内核版本（在 https://github.com/raspberrypi）。 在你的工程目录下，新建 linux_source 文件夹用于存放源码和编译文件： 

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mkdir linux_source
cd linux_source
下载指定版本的树莓派内核源码（此过程可能需要20-30分钟）： 
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wget https://github.com/raspberrypi/linux/archive/raspberrypi-kernel_1.20210527-1.tar.gz
解压源码包： 
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tar -xzf raspberrypi-kernel_1.20210527-1.tar.gz
解压后会得到一个新目录，建议用 mv 命令重命名为 linux，便于后续操作。解压完成后请删除 .tar.gz 文件以节省空间。

进入 linux 目录，运行以下命令查看内核版本： 

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make kernelversion
并用文本编辑器（如 emacs、vim、nano）打开 Makefile，查看前几行定义的内核版本常量，记录 NAME 常量的值。

2. 针对树莓派 4/4B 的设备树修改

如果你使用的是 Raspberry Pi 4 或 4B，需要修改设备树文件 arch/arm/boot/dts/bcm2711.dtsi，找到 arm-pmu 条目，将 compatible 行改为： 

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compatible = "arm,cortex-a72-pmu", "arm,cortex-a15-pmu", "arm,armv8-pmuv3";

3. 配置交叉编译环境

添加交叉编译器和新版 gcc 到 PATH（并将以下两行添加到 ~/.bashrc 文件末尾，确保下次登录自动生效）： 

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# 将交叉编译工具链添加到PATH
module add arm-rpi
# 将c编译器添加到PATH
module add gcc-8.3.0

注意：如果使用wsl2等，linux并不自带environment-modules的情况，需要手动安装编译工具并添加PATH： 更新包列表 sudo apt update 安装依赖，如果出现包依赖版本问题，请参照本站wsl2分类下的文章“在wsl2安装ros2遇到的一些坑”解决 sudo apt install bc bison flex libssl-dev make libc6-dev libncurses5-dev 安装32位工具链 sudo apt install crossbuild-essential-armhf 检查是否已添加到PATH arm-linux-gnueabihf-gcc --version

4. 配置内核

对于 Raspberry Pi 3B+，运行： 

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make -j$(nproc) ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bcm2709_defconfig

对于 Raspberry Pi 4/4B，运行： 

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make -j$(nproc) ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bcm2711_defconfig
这会生成树莓派的默认内核配置。

5. 自定义内核配置

进入菜单配置界面：

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make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig
  • 在 "General setup" -> "Local version" 里，添加你的唯一标识（如 -v7 或 -v7l 后面加你的名字，无空格）。
  • 修改 "Preemption Model" 选项为 "Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop)"，以获得更低延迟的抢占模型。
  • 启用 ARM 性能监控单元驱动（"Kernel Performance Events and Counters"），并确保 "Profiling support" 也已启用。
  • 任选一个有趣的选项，按 H 键查看简介，记录该选项的名称、简介和符号（symbol），并简述为何选择 "Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop)"（提示：该模式适合需要低延迟响应的场景，如桌面或实时应用）。

保存并退出配置。

6. 编译内核

记录编译开始和结束时间

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date>>time.txt; make -j$(nproc) ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zImage modules dtbs; date>>time.txt

注意：如果使用wsl2出现类似以下错误 Error: selected processor does not support 'dmb ish' in ARM mode 请尝试指定编译环境变量（编译参数会报错冲突）： 

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sudo su
export KCFLAGS="-march=armv7-a -mfpu=vfpv3"
make -j$(nproc) ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zImage modules dtbs
unset KCFLAGS

编译完成后，创建用于存放模块的目录：

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mkdir ../modules

安装内核模块：

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make -j$(nproc) ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- INSTALL_MOD_PATH=../modules modules_install

7. 回答与说明

  • 用 cat time.txt 查看编译所用时间。
  • 说明为何要用交叉编译器：因为 linuxlab 服务器的架构与树莓派不同，必须用交叉编译器生成适用于 ARM 架构的内核和模块。