构建 RISC-V 64 Linux 内核和 Busybox¶

环境准备¶

建议使用 Vlab 的 Ubuntu 24.04 LXC 虚拟环境。

更新并安装所需的软件：

sudo apt update
sudo apt upgrade -y && sudo apt install -y build-essential git bc bison flex libssl-dev libncurses-dev qemu-system-misc gcc-riscv64-linux-gnu gdb gdb-multiarch ncat telnet

下载 Linux 源代码：

git clone --filter=tree:0 https://mirrors.ustc.edu.cn/linux.git
cd linux
du -h | tail

可以看到 Linux 内核的源代码大小在 clone 后达到了 3GB，这其中 1.3GB 是 .git 目录下的 Git 仓库数据。

然后，设置交叉编译选项：

export ARCH=riscv
export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu-

提示：如果你在中间做错了某一步骤，可以用下面的命令来清理环境并重新开始，无需再次下载：

git reset --hard
git clean -fdx

第一次交叉编译¶

初始化配置¶

我们只需要一个极小的内核，因此：

make defconfig

然后，由于 QEMU 里面没有什么设备，因此不需要编译很多驱动程序，只保留我们需要的即可。这里可以使用 make menuconfig 来进行交互式的配置，但是由于需要修改的地方比较多，交互式操作可能不太方便。所以，使用配置切片（config fragment）来完成配置。在 Linux 源代码根目录下编写 qemu.config 并填入下面的内容：

CONFIG_SERIAL_8250=y
CONFIG_SERIAL_8250_CONSOLE=y
CONFIG_OF=y
CONFIG_OF_FLATTREE=y
CONFIG_VIRTIO=y
CONFIG_VIRTIO_MMIO=y

CONFIG_MODULES=n
CONFIG_NET=n
CONFIG_USB=n
CONFIG_SOUND=n
CONFIG_DRM=n

CONFIG_CC_OPTIMIZE_FOR_SIZE=y

构建¶

接下来将它合并到当前的 .config 中并且开始编译：

scripts/kconfig/merge_config.sh .config qemu.config
make olddefconfig
make -j$(nproc)

在这个过程中，make 可能会询问一些问题，类似

Vector extension support (RISCV_ISA_V) [Y/n/?] (NEW)

一般来说，直接使用默认值（按 Enter）即可。

如果直接按照 defconfig 构建的话，make 在 drivers/ 阶段花费了大量的时间——但其实这里很多驱动不是我们所需要的，它们也同时占据了编译出来的内核的相当大小。因此，建议从精简驱动开始裁剪嵌入式内核。此外，还可以通过 tinyconfig 得到一个精简的配置。

最后的输出是：

  OBJCOPY vmlinux
  GEN     modules.builtin.modinfo
  GEN     modules.builtin
  OBJCOPY arch/riscv/boot/Image
  Kernel: arch/riscv/boot/Image is ready
  GZIP    arch/riscv/boot/Image.gz
  Kernel: arch/riscv/boot/Image.gz is ready

这就说明我们的内核准备好了！

在构建过程中，都可以使用 file 命令来看我们的构建产物的信息。例如：

$ file vmlinux
vmlinux: ELF 64-bit LSB shared object, UCB RISC-V, RVC, soft-float ABI, version 1 (SYSV), dynamically linked, BuildID[sha1]=618e9ee6b09fff369073f9dc28538a44cfcb5b3e, not stripped

这说明我们的交叉编译是正确的，产物 vmlinux 确实是 RISC-V 64 架构的二进制文件。

构建 `initramfs` 和 Busybox¶

为了让我们的内核有事情可做，可以使用 Busybox，提供一个极小化的环境。首先需要建立起最基本的文件系统结构：

mkdir -p rootfs/{bin,sbin,proc,sys,usr/bin,usr/sbin}

然后，获取 Busybox 的源代码并进入源码目录：

git clone --depth 1 https://git.busybox.net/busybox.git
cd busybox

先生成默认配置，再使用 make menuconfig 来进行交互式的配置：

make defconfig
make menuconfig

需要配置的有：

选中 Settings -> Build static binary，确保产物是静态链接的；
取消选中 Networking Utilities 下的所有选项；

保存退出后，使用 make -j$(nproc) 构建（之前导出的 CROSS_COMPILE 环境变量会自动生效）。构建完成后，产物应该具有如下的信息：

$ file busybox_unstripped
busybox_unstripped: ELF 64-bit LSB executable, UCB RISC-V, RVC, double-float ABI, version 1 (SYSV), statically linked, BuildID[sha1]=35d654cb925b199e53af27ddff8cd4b6c0b7995b, for GNU/Linux 4.15.0, not stripped

接下来，使用

make CONFIG_PREFIX=../rootfs install

将 Busybox 安装到你的 Initramfs 中。安装完成后，回到 Linux 源代码根目录：

cd ..

然后，创建 init 程序，这样我们才能让内核创建第一个进程：

cat > rootfs/init << 'EOF'
#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
echo "Hello from RISC-V init!"
exec /bin/sh
EOF

chmod +x rootfs/init

最后的打包¶

需要构建的东西已经完成了，接下来进行一下打包：

cd rootfs/
find . | cpio -o --format=newc | gzip > ../initramfs.cpio.gz
cd ..

运行内核¶

我们已经成功地准备好了第一次构建的产物。现在来运行一下。

qemu-system-riscv64 \
  -machine virt \
  -nographic \
  -kernel arch/riscv/boot/Image \
  -initrd initramfs.cpio.gz \
  -append "console=ttyS0"

你应该可以看到：

[    1.431314] Run /init as init process
Hello from RISC-V init!
/bin/sh: can't access tty; job control turned off
~ # ls
bin      init     proc     sbin     usr
dev      linuxrc  root     sys
~ #

成功了！