从零开始制作Linux

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从零开始制作Linux

提到制作Linux，大家都能想到如雷贯耳、大名鼎鼎的Linux from scratch。但Linux from scratch的复杂性不是普通人能轻易掌握的，对于初学者来说，任何步骤出现不一致，会让初学者遇到挫拆，攻破LFS的信心越来越低。

本文教大家制作一个比LFS更简单的Linux系统，只有Grub、Linux kernel和最小的根文件系统initrd，原理和过程都非常简单。大家可以在这个基础的Linux之上，再增加其它的功能，逐步走向LFS。

制作Linux，首先该系统是放到磁盘上的，所以涉及启动引导操作系统的知识，我们使用著名的Grub引导程序来实现，Grub执行之后，由它来加载OS kernel和文件系统。 对于OS kernel，我们利用比较新版本的kernel代码来编译即可，而根文件系统，我们使用一个工具来生成最小的initrd。

整个制作过程，首先都有一个磁盘，这个磁盘可以是软盘，可以是USB，也可以是SSD磁盘或者HDD。但考虑到很多朋友身边没有这些东西，我们使用Qemu来试验，原理与直实硬件完全一样，唯一不同的是Qemu的磁盘可以用Host OS的文件来代替。

计算机启动过程

在制作过程中，难免会无法理解纷繁复杂的操作过程，到底为什么需要这样操作，这需要对计算启动过程的原理有些基本的认识。计算机是如何启动的，这个问题在网上可以搜到大量文章，可以参考阮一峰大牛写的《计算机是如何启动的？》，我将关键过程列在这里：

BIOS阶段：计算上电后，系统从主板上的BIOS程序运行，检测系统，初始化运行环境

加载bootloader阶段：BIOS依次扫描硬盘，如果某个硬件的第一个扇区(512字节）的最后两字节为0x55和0xAA，则该硬盘为启动硬盘，该扇区为主引导记录（Master boot record，缩写为MBR），BIOS将该扇区加载到0x7C00内存处，然后跳到该地址开始执行bootloader

Bootloader加载OS阶段：Bootloader开始执行，由于它只有512字节在内存，所以这512个字节的功能是将它剩下的代码从它后面的扇区（第2扇区，第3扇区，直到……第N扇区）加到到内存，Bootloader 代码完整加载到内存；然后bootloader读配置文件，然后从磁盘中加载kernel文件和根文件系统initrd到内存，最后跳到kernel开始执行OS

OS kernel启动：OS kernel开始做系统初始化，将根文件系统initrd解压缩，加载到根文件，运行init进程

简化版本启动过程，BIOS是主机提供的，而Bootloader，OS kernel和initrd都需要制作安装。

制作涉及的软件说明

本文使用Qemu来验证，所以需要Qemu模拟的硬盘（实际是Linux的一个磁盘文件），Qemu提供BIOS功能，所以只需要安装Bootloader， OS kernel和initrd，各组件选用如下表所示：

组件软件版本

Bootloader	Grub	2.00
OS kernel	linux kernel	4.9
initrd	mkinitramfs	xx

下面是制作过程是涉及软件的版本

软件版本构建方式

Ubuntu	12.04	直接安装
grub-install	2.00~rc1	源码编译安装
qemu	2.10.0	源码编译安装
fdisk	2.20.1	直接安装
losetup	xxx	直接安装

开始制作Linux 步骤1：创建64M大小的磁盘文件

使用dd命令，创建一个64M大小的文件，命令如下：

dd if=/dev/zero of=disk.img bs=1M count=64

运行过程如图1所示：

图1：dd命令运行过程 步骤2：对磁盘分区，整个磁盘只建一个分区

使用fdisk命令对disk.img磁盘进行分区，使用n命令创建新的、主分区，该分区为整个磁盘大小，命令如下：

fdisk disk.img

fdisk命令交互过程如图2所示：

图2：fdisk命令运行过程 步骤3：将磁盘分区关联到/dev/loop7设备

如果你稍为对磁盘结构有点了解，应该如何磁盘最开始扇区是MBR，里面有分区表，记录磁盘上有多少分区，每个分区从哪个扇区开始，以及分区占用多少扇区，往往第一个分区的开始扇区并不是从第2个扇区开始。

我们使用fdisk -l disk.img命令可以看到该磁盘只有一个主分区，是从第2048个扇区开始：

ivan@ivan:~/minilinux$ fdisk -l disk.img Disk disk.img: 67 MB, 67108864 bytes 41 heads, 32 sectors/track, 99 cylinders, total 131072 sectors Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes Disk identifier: 0xa711cdff Device Boot Start End Blocks Id System disk.img1 2048 131071 64512 83 Linux

我们接下来要在该分区建立文件系统，以及往里面放kernel和initrd，这一步需要将该分区与直接的磁盘设备关联，才能对该分区进行格式化和文件拷贝。使用losetup命令将该分区与一个/dev/loop7设备进行关联，命令如下：

losetup -o 1048576 /dev/loop7 disk.img

-o表示该分区在disk.img的偏移量（字节为单，即2048 x 512 = 1048576 )

命令运行如图3所示：

图3：losetup运行过程 步骤4：格式化分区和挂载分区

接下来将分区格式化为ext3，命令如下：

mkfs.ext3 /dev/loop7

mkfs.ext3命令运行过程如图4所示：

图4：mkfs.ext3命令运行过程

格式化后，将该分区挂载到mnt目录（在工作目录创建mnt目录，或者直接使用系统提供的/mnt均可，本文使用前者）：

mkdir mnt mount -t ext3 /dev/loop7 ./mnt/

mount命令运行过程如图5所示：

图5：mount命令运行过程 步骤5：安装grub

磁盘和分区已经做完了，下一步是安将Grub，安装命令如下：

grub-install –boot-directory=./mnt/boot/ –target=i386-pc –modules=part_msdos disk.img

运行结果如图6所示：

图6：grub-install命令运行过程

运行grub-install命令之后，会将disk.img磁盘第一个扇区修改成MBR，同时将grub代码安装到第一个分区之前的扇区里（通常是0号到64号扇区之间），最后将grub代码运行所需要其它模块和配置文件保存到 ./mnt/boot/grub目录下。

步骤6：下载、编译内核

首先在kernel官网下载linux-4.9.tar.gz文件，如下图7所示：

图7：下载kernel

然后使用默认配置编译x86_64内核和拷贝到distk.img磁盘的 boot/目录，命令如下：

make x86_64_defconfig make bzImage -j4 sudo cp arch/x86/boot/bzImage ~/minilinux/mnt/boot/

上述命令运行过程如图8所示：

图8：内核编译和拷贝过程 步骤7：制作initrd

使用mkinitramfs命令可以制作简化版本的文件系统， 使用mkinitramfs命令生成极简的initrd，放到boot目录下，命令如下：

mkinitramfs -o ./mnt/boot/initrd

运行过程如图9所示：

图9：生成initrd根文件系统 步骤8：编写grub.cfg，让Grub引导kernel运行

万事俱备，只欠东风，Grub、kernel和initrd都已准备好的，剩下的事件就是写grub.cfg配置文件，告诉Grub从哪个目录可以找到bzImage和initrd文件，具体命令如下：

cat - > ./mnt/boot/grub/grub.cfg << EOF menuentry “FreshLinux” { linux (hd0,msdos1)/boot/bzImage console=tty0 initrd (hd0,msdos1)/boot/initrd } EOF

上述是非交互式命令，它的工作是用vim编辑mnt/boot/grub/grub.cfg文件，增加引导bzImage和initrd的描述，交互式的过程如图10所示：

图10：编辑mnt/boot/grub/grub.cfg过程

hd0表示第一个硬盘，而msdos1表示该硬盘的第一个分区（注：Grub对硬盘和分区的标识略有不同，硬盘从编号0开始，而分区却从编号1开始）。

linux (hd0,msdos1)/boot/bzImage console=tty0 表示：系统第一个硬盘，第一个分区的boot/bzImage文件是内核压缩镜像，而后面的console=tty0是内核启动参数，告诉内核输出到控制台上，而非图形化界面。

initrd (hd0,msdos1)/boot/initrd 表示：系统第一个硬盘，第一个分区的boot/initrd是根文件系统。

到此为止，Linux已经制作完成，只需将解挂载/dev/loop7即可将 刚刚建立的文件内容刷新到disk.img磁盘文件上，命令如下：

umount /dev/loop7 losetup -d /dev/loop7

步骤9：从磁盘运行Linux

OK，包含完整系统的Linux磁盘（disk.img）已制作完成，使用qemu将它运行起来，命令如下：

qemu-system-x86_64 -hda disk.img

然后进入Grub界面，选择我们刚刚制作的FreshLinux，按回车运行。过程如图11所示：

图11： qemu启动和grub操作过程

接下来进入kernel启动，接着运行init进程，最后运行sh进程，等待用户输入命令，如图12是输入ls和pwd命令的运行过程：

[图12：运行ls和pwd命令过程

大功告成，一个极简的Linux系统构建完成了……

自动化脚本

建议大家挽起袖子，将上述过程一步步运行，感受DIY带来的乐趣。如果制作过程中遇到问题，可以试试下面这个自动化脚本。

#!/bin/bash dd if=/dev/zero of=disk.img bs=1M count=64 fdisk disk.img << EOF n p w EOF losetup -o 1048576 /dev/loop7 disk.img mkfs.ext3 /dev/loop7 mkdir ./mnt mount -t ext3 /dev/loop7 ./mnt/ mkdir -p ./mnt/boot/grub grub-install --boot-directory=./mnt/boot/ --target=i386-pc --modules=part_msdos disk.img mkinitramfs -o ./mnt/boot/initrd # 请根据内核编译路径进行修改 cp /home/ivan/kernel/linux-4.9/arch/x86/boot/bzImage ./mnt/boot cat - > ./mnt/boot/grub/grub.cfg << EOF menuentry "FreshLinux" { linux (hd0,msdos1)/boot/bzImage console=tty0 initrd (hd0,msdos1)/boot/initrd } EOF umount /dev/loop7 losetup -d /dev/loop7 qemu-system-x86_64 -hda disk.img 写在后面

估计有读者会问，制作这个极简的Linux有何意义呢？ 我认为至少有以下两个意义： 1. 使用几个简单的命令，理清操作系统的运行过程，相比LFS来说，更容易成功，成就感极强 2. 可以在此极简的Linux上，增加更复杂的功能，一步步逼近LFS，千里之行，始下足下

如果试验成功，那如何在真正的硬盘上制作Linux呢？相信你会给出正确的答案，原理与本文全完一样，只是磁盘相关的步骤从disk.img文件，替取成了真正的磁盘/dev/hdX或者/dev/sdX而已，其它不变。

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