Linux入门攻坚——32、Mini Linux制作

制作一个mini linux，需要对linux的启动流程很熟悉，这里又一次学习Linux的启动过程。

启动流程：
CentOS 6 / 5：
    POST -->BootSequence(BIOS) --> BootLoader --> kernel (ramdisk) --> rootfs --> /sbin/init
        然后就涉及编写服务脚本（centos5/6），或这编写upstart配置文件（centos6）
    对于ramdisk，是用于提供设备驱动的，主要是根文件系统的设备驱动，如果根文件系统所在设备的驱动编译进内核了，那么就不需要加载ramdisk了，凡是编译进内核的驱动，都可以直接使用其设备。而一般的，设备驱动不会直接编译进内核，主要是控制内核的大小，否则内核会很大。设备驱动编译成模块，按需加载。 
    对于/sbin/init，CentOS5是读取/etc/inittab配置文件，执行其中的配置，而CentOS6则是读取/etc/init/*.conf配置文件，执行其中的配置。这些配置文件要完成的功能：
    - 确定默认执行级别
    - 运行系统初始化脚本：/etc/rc.d/rc.sysinit
    - /etc/rc.d/rc $runlevel  
    - 启动终端，并运行login
    - 启动图形终端（运行级别5）
CentOS 7：
    POST -->BootSequence(BIOS) --> BootLoader -->kernel (ramdisk) -->rootfs --> /sbin/systemd
         编写服务脚本
         systemd unit文件

总体来说，一个最基本的linux系统，就是引导设备上的MBR中的bootloader装载linux内核，然后切换根文件系统，最后启动init（或systemd）。

bootloader：    lilo、grub legacy、grub2
grub：stage1：mbr
           stage1_5：filesystem driver
           stage2：grub的各项加载选项等。

内核编译：
    make menuconfig   --> .config     （主要生成.config文件）
    make [ -j # ]            
    make modules_install    （安装模块）
    make install

Mini Linux制作步骤：
    bootloader：grub安装
    内核：  kernel（非模块方式，所有驱动编译进内核）  
    根文件系统：busybox  （模拟实现用户空间中的各种程序）

1、环境配置，编译内核需要安装“Development Tools”和“Server Platform Development”软件包组
2、下载内核源代码：www.kernel.org，测试下载了linux-4.19.321.tar.xz。
3、解压缩，tar xf linux-4.19.321.tar.xz -C /usr/src
      创建解压后目录的链接文件： ln -sv linux-4.19.321 linux

4、内核的配置，一般在安装完成的机器上都有，如：/boot/config-2.6.32-754.el6.x86_64，因为这里是测试做一个最精简的linux，一切由自己手动配置。
首先把内核可选择的特性全部关闭掉： make allnoconfig   

执行完毕后，会在当前目录下生成.config文件

要编译内核，需要提前了解硬件特性，如cpu、pci，尤其要注意硬盘接口

然后执行make menuconfig，对内核特性进行配置

64-bit kernel要选择，要编译成64位的内核系统；
Enable loadable module support 要选择，支持模块动态加载特性，进入子菜单：

Module unloading选上，支持模块动态卸载。
Processor type and features --->选择处理器型号、特性，即支持的CPU型号，进入子菜单

进入Processor family（Generic-x86-64）--->

Generic-x86-64，通用x86-64CPU，不知道的情况下，可以选择这一项

回退上级菜单，选择Symmetric multi-processing support ，CPU对称多处理器的支持（多核处理器）
然后是总线的配置，Bus options (PCI etc.)  ---> ，对PCI的配置，进入子菜单：

PCI support选中，会多出很多选项，默认就可以。

 Device Drivers  --->   设备驱动的配置，主要是硬盘驱动的配置

lspci命令查看我们的存储设备，是：SCSI storage controller: LSI Logic / Symbios Logic 53c1030 PCI-X Fusion-MPT Dual Ultra320 SCSI (rev 01)
选择：Fusion MPT device support  --->  的子菜单中对应我们自己的硬盘设备，但是子菜单中没有列出来：

因为是SCSI总线，先要启用SCSI特性，所以选择：  SCSI device support  ----   这一项启用，但是这一项进去全是空的：

需要返回上一级，选择：Enable the block layer  ----  ，然后下面的scsi特性才能出来。

不做选择，采用默认。然后回到Device Drivers  --->菜单，此时SCSI device support  --->  下显示：
选择： SCSI device support  ，会列出很多选项：

选择：SCSI disk support，退出，再次进行硬盘驱动的选择：

选择： Fusion MPT ScsiHost drivers for SPI 这一项。为了保证编译后运行正常，，将Fusion的其他三项都选上。
以上配置完后，就可以进行编译。
5、执行编译：make -j 4 bzImage ，编译成bz格式的内核。运行中，提示gcc版本过低，网上查询需要gcc4.8以上，而CentOS6是gcc4.4，所以下载低版本内核试一下：linux-3.19.tar.xz

其menuconfig配置项有所不同：

总的配置就是：先配置内核是64位的，然后配置动态加载模块支持，在其子菜单下选择可以动态卸载，其后配置块设备支持，再配置CPU，支持多核和选择CPU类型，再配置总线选项，配置PCI支持选项，最后设备驱动配置，先配置SCSI设备，支持SCSI disk，即scsi磁盘，然后是硬盘设备配置，这里是Fusion MPT device。这样一个最基本的Linux内核就算配置完成。

执行编译：make -j 4 bzImage 最后的结果显示如下：

生成的内核位置：arch/x86/boot/bzImage

6、配置新linux的安装位置，需要新增一块硬盘，将自定义的Mini Linux安装在这块硬盘上：
关闭当前系统，进行虚拟机设置：

添加后两块磁盘。启动系统。

7、查看磁盘信息，对磁盘进行分区和格式化
查看磁盘：fdisk -l /dev/sdb

对磁盘进行分区，对一个基本Linux，分区一般最少3个：boot分区，根(/)分区和swap分区，对于最精简的linux，swap可以不使用，所以，指定boot和根/分区就可以了。

进行分区格式化：mke2fs -t ext4 /dev/sdb1   、  mke2fs -t ext4 /dev/sdb2

8、挂载创建的分区到当前系统上。
mkdir /mnt/{boot,sysroot}
mount /dev/sdb1 /mnt/boot/
9、安装grub：grub-install --root-directory=/mnt  /dev/sdb

这里要注意的关键点是参数--root-directory=/mnt，而不是/mnt/boot，原因在Linux入门攻坚——16、Linux系统启动流程中分析过。

至此，grub安装完成，下一步复制内核。一般的内核都是/boot/vmlinuz-文件，我们的内核在上一步已经编译完成并生成，即/usr/src/linux/arch/x86/boot/bzImage，将其拷贝到要制作的mini linux的/boot下：cp /usr/src/linux/arch/x86/boot/bzImage /mnt/boot/bzImage

有了内核，还要编辑grub的启动配置菜单，创建/mnt/boot/grub/grub.conf：

关键点是这里的root(hd0,0)和root=/dev/sda2，在当前的机器上，我们的mini linux是安装在第二块硬盘上的，应该是hd1,0 和/dev/sdb2，为何改为了hd0和sda2呢？这是因为mini linux单独运行时，就是单独在第二块硬盘上，此时对mini linux只有一块硬盘，相应的系统就应该识别成第一块硬盘，即hd0,0和/dev/sda2

10、测试启动Mini Linux：
将编译机器关闭，在vmware中新建虚拟机：

启动新建的虚拟机：

启动后，就是一个光标在黑屏上闪烁，于是再下了一个linux-3.10.67版本，重新制作内核，再次运行：

提示没有加载根文件系统。设备已经能够识别了，即sda1和sda2，其上有文件系统（通俗讲就是已经格式化了），只是其上没有对应文件，这里提示不能挂载，是内核驱动不了文件系统。内核中没有添加文件系统模块，需要重新编译内核，使其能够驱动文件系统。设备驱动了，文件系统不能驱动。

11、重新编译内核，添加文件系统驱动。make menuconfig，进入File systems --->选项中

至少保证我们使用的文件系统ext4被选择。然后配置可执行文件格式：Executable file formats / Emulations  --->  

支持ELF和#！，即bash，配置好后重新编译：
编译后，重新将生成的内核bzImage拷贝到sdb1，即/mnt/boot上，关闭本机，重新启动Mini Linux：

此时显示ext文件系统已经可用，最后是init没有发现。

12、提供一个真正的根文件系统：
启动内核，挂载文件系统后，内核是如何加载init的？查看内核的源代码：init/main.c

可以看到，init的加载，内核依次找的位置为/sbin/init、  /etc/init、  /bin/init 、 /bin/sh，所以，只要存在/bin目录其下有sh，系统就能跑起来。

首先，完成一下根文件系统，现在看所谓根文件系统，就是在根文件系统所在分区下创建对应的文件目录结构：

然后将程序或命令拷贝到对应目录中，不但要拷贝程序文件，还要拷贝命令程序依赖的库文件，于是编写一个拷贝命令程序的脚本文件：

#!/bin/bash
#
target=/mnt/sysroot
[ -d $target ] || mkdir /mnt/sysroot

read -p "A Command:" cmd

libcp() {
    for lib in $(ldd $1 | grep -o "[^[:space:]]*/lib[^[:space:]]*"); do
        libdir=$(dirname $lib)
        [ -d $target$libdir ] || mkdir -p $target$libdir
        [ -f $target$lib ] || cp $lib $target$lib
    done
}

while [ "$cmd" != "quit" ]; do
    if ! which $cmd &> /dev/null; then
        read -p "No such command,enter again:" cmd
        continue
    fi
    cmd=$(which --skip-alias $cmd)
    cmddir=$(dirname $cmd)

    [ -d $target$cmddir ] || mkdir -p $target$cmddir
    [ -f $target$cmd ] || cp $cmd $target$cmd
    libcp $cmd
    read -p "Another command(quit):" cmd
done

代码实现的功能，就是在当前系统中，先测试给定的命令是否存在，如果存在，将此命令以及此命令依赖的库文件对等的拷贝到新系统的对应位置，如/bin/ls拷贝到/mnt/sysroot/bin/ls

可以测试一下：chroot  /mnt/sysroot/ /bin/bash,将target作为根目录（运行其中的 /bin/sh ）

chroot命令 用来在指定的根目录下运行指令。chroot，即 change root directory （更改root 目录）。在 linux 系统中，系统默认的目录结构都是以 / ，即是以根 (root) 开始的。而在使用 chroot 之后，系统的目录结构将以指定的位置作为 / 位置。
在经过 chroot 命令之后，系统读取到的目录和文件将不在是旧系统根下的而是新根下（即被指定的新的位置）的目录结构和文件，因此它带来的好处大致有以下3个：
1. 增加了系统的安全性，限制了用户的权力：
    在经过 chroot 之后，在新根下将访问不到旧系统的根目录结构和文件，这样就增强了系统的安全性。这个一般是在登录 (login) 前使用 chroot，以此达到用户不能访问一些特定的文件。
2. 建立一个与原系统隔离的系统目录结构，方便用户的开发：
    使用 chroot 后，系统读取的是新根下的目录和文件，这是一个与原系统根下文件不相关的目录结构。在这个新的环境中，可以用来测试软件的静态编译以及一些与系统不相关的独立开发。
3.  切换系统的根目录位置，引导 Linux 系统启动以及急救系统等：
    chroot 的作用就是切换系统的根位置，而这个作用最为明显的是在系统初始引导磁盘的处理过程中使用，从初始 RAM 磁盘 (initrd) 切换系统的根位置并执行真正的 init。另外，当系统出现一些问题时，我们也可以使用 chroot 来切换到一个临时的系统。

13、在重新启动Mini Linux前，修改grub.conf，明确告知内核init的具体位置：

重新启动Mini Linux，启动后：

键入回车键无反映，其他按键也没反映，问题是在编译内核时，键盘驱动没有配置上，也就是没有键盘驱动程序，无法使用键盘。于是要重新配置内核选项，将键盘等基本设备的驱动编译进内核。
make menuconfig  ，选择Device Drivers  ---> 菜单下的 Input device support  --->   ：

选择： Keyboards  --->，将其选中，还可进入子菜单，选择详细键盘型号，默认AT标准键盘就可以。  

要支持鼠标，选中：Mouse interface 选项，然后是Mice选项，其下有详细鼠标类型，对于vmware虚拟机，模拟出来的鼠标是usb口的鼠标，所以还要配置usb的驱动：在Device Drivers  --->下有USB support  --->选项，选中，然后进入下一级选具体usb类型，先看本机的USB类型：

为了以防万一，将各个版本的都选上：

Mice子菜单在配置USB选项前后：

配置好后，再次编译：make -j 4  bzImage
14、再次重启Mini Linux：

可以看到，bash启动了。可以运行内置命令了。但是，正常的Linux启动的是init，可以编写一个init脚本，来模拟init：

添加一些工具程序：

需要修改grub.conf，将init=/bin/bash去掉，或改为init=/sbin/init，或者不修改，在启动时使用e选项，进行手动修改。再次启动时又出现了错误，init启动不成功，有关键的一步没有做，就是编写的/sbin/init没有赋予执行权限，chmod +x /mnt/sysroot/sbin/init，然后再次启动：

此时，init运行成功。但是在/dev下，没有相关设备，要挂载sda1到/boot下，找不到设备

对于/dev下的设备，是由udev发现并创建的，我们内核中没有编译udev。

15、重新配置内核配置选项，将udev编译进内核：make menuconfig，
Device Drivers  --->下的Generic Driver Options  ---> 选项下

此时/dev下内核识别出的设备都显示出来。