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init.md

File metadata and controls

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构建初始内存盘

一个简单的例子

init.c:

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("TaokyStrong!\n");
    return 0;
}

静态链接编译:

aarch64-linux-gnu-gcc -static init.c -o init

创建一个新的目录用于放置文件。在新的目录下打包 initrd：

find . | cpio --quiet -H newc -o | gzip -9 -n > ../initrd.cpio.gz

在 QEMU 中运行:

qemu-system-aarch64 \
  -kernel linux/arch/arm64/boot/Image \
  -initrd initrd.cpio.gz \
  -dtb tools/boot_utils/bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb \
  -M raspi3 -m 1024 \
  -serial stdio \
  -append "rw loglevel=8"

创建设备文件

以 /dev/fb0 为例: 作为一个设备文件，对 /dev/fb0 文件的读写等操作实际上是在操作 framebuffer, 在硬件设备上的反映就是屏幕的图像输出等. 串口设备 /dev/ttyS0 同理.

在 Linux 中主要有两类设备文件：块设备文件（有缓冲）、字符设备文件（无缓冲）。

块设备 (b)：以块为单位与硬件设备传输文件。对它的写入操作会被缓存，由内核在合适的时候发送给硬件。 字符设备 (c)：以字节为单位与硬件设备传输文件。

设备文件需要使用 mknod 创建。在创建时，还需要提供主设备号 (Major) 和次设备号 (Minor)。设备文件一般位于 /dev/，可以使用 ls -l 查看它们的信息。

$ ls -l /dev/null
crw-rw-rw- 1 root root 1, 3 Feb 14 20:27 /dev/null
$ ls -l /dev/sda
brw-rw---- 1 root disk 8, 0 Feb 14 20:27 /dev/sda

这里可以看到，空设备 (/dev/null) 为字符设备 (c)，主设备号为 1，次设备号为 3。第一块硬盘对应的设备 (/dev/sda) 为块设备 (b)，主设备号为 8，次设备号为 0。

你需要在执行测试程序之前先用 mknod 创建对应设备文件. 已知 /dev/ttyS0 为字符设备文件，主设备号为 4，次设备号为 64；/dev/ttyAMA0 为字符设备文件，主设备号为 204，次设备号为 64；/dev/fb0 为字符设备文件，主设备号为 29，次设备号为 0。

你可以使用 man 1 mknod 查看 mknod 程序的帮助，使用 man 2 mknod 查看 mknod 系统调用的帮助。这两者都需要最高用户权限。

以下是一个在 C 语言中使用 mknod() 系统调用，在当前目录创建空设备文件 (null) 的示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sysmacros.h>

int main() {
    if (mknod("./null", S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR, makedev(1, 3)) == -1) {
        perror("mknod() failed");
    }
    return 0;
}

$ gcc mknod_example.c -o mknod_example
$ sudo ./mknod_example
$ ls -l null
crw------- 1 root root 1, 3 Mar  1 17:10 null

你可以选择:

  1. 在 init 执行过程中创建设备文件. (推荐)
  2. 先使用 mknod 创建设备文件，然后再打包 initrd (不推荐). 如果一定想这么做请注意不要写入错误的主次设备和避免硬件损坏. 如果在 Vlab 平台上并不能直接 mknod, 需要使用 fakeroot 环境, 参考操作.

关于测试程序

在提供的 tools.tar.gz 中的 binary 文件夹下有 3 个测试程序.

  • 程序 1: 调用 Linux 下的系统调用, 每隔 1 秒显示一行信息, 共显示 4 条消息.
  • 程序 2: 向串口输出一条信息。此程序依赖 /dev/ttyS0 或 /dev/ttyAMA0 设备文件。(具体看树莓派官方对于串口的说明)
  • 程序 3: 在 TTY 中使用 Framebuffer 显示一张图片。此程序依赖 /dev/fb0 设备文件。

你需要做的是：编写一个 init 程序，执行这三个程序。具体的要求见介绍页面。

试试 BusyBox (非必做, 但是推荐玩一玩)

BusyBox 是一个将许多常用 Unix 命令行工具打包进一个二进制文件的项目，在嵌入式系统等存储空间有限的环境中非常常见。你可以选择使用 BusyBox 提供的工具来编写你的 init 程序，并打包 initrd.

BusyBox 官方没有提供编译好的 arm64 版本. 方便起见可以直接下载助教编译好的 binary. 也可以自行编译, 源码下载.

制作 initrd

BusyBox 的特点之一是，如果你使用某个支持的别名来运行它，它就会像那条命令一样工作. 创建符号链接是最常见的以别名使用 BusyBox 的方式.

chmod 755 busybox
mkdir -p rootfs/bin/
mv busybox rootfs/bin/
cd rootfs/bin/
for item in $(./busybox --list)
  do
    ln -s busybox $item
  done

注: 其中 ./busybox --list 需要安装 qemu-user 才能在 x86 环境下成功执行.

rootfs/init:

#!/bin/sh
/bin/sh

记得给这个 init 文件加上执行权限

chmod +x init

按照前面的教程将 rootfs/ 目录打包为 initrd.cpio.gz，并使用 QEMU 启动，你就有 shell 可以玩了 :D

hint: 有 /bin/mknod