《奔跑吧Linux内核》 第二版实验平台 - 升级版本

runninglinuxkernel_5.15是runninglinuxkernel_5.0升级版本，目的是方便读者验证新的内核特性和新的ARM64特性，例如MTE, PAC, BTI等。 注意：本git repo推荐使用QEMU 6.2及以上版本，读者需要自行编译QEMU 6.2。

奔跑吧第二版配套实验平台，请使用runninglinuxkernel_5.0，地址为：https://github.com/runninglinuxkernel/runninglinuxkernel_5.0

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奔跑吧第二版配套实验平台

《奔跑吧Linux内核》第二版系列三本书：卷1、卷2以及入门篇，已经出版，读者可以到异步社区、京东、当当等书店购买。

实验平台说明

这个实验平台具有如下特点：

1. 使用“O0”来编译内核
2. 在主机Host中编译内核
3. 使用QEMU来加载系统
4. 支持GDB单步调试内核以及Debian系统
5. 使用ARM64版本的Debian系统的根文件系统
6. 在线安装Debian软件包
7. 支持在虚拟机里动态编译内核模块
8. 支持Host主机和虚拟机共享文件

本实验平台两个镜像：

1. github：https://github.com/runninglinuxkernel/runninglinuxkernel_5.15
2. 腾讯git：https://benshushu.coding.net/public/runninglinuxkernel_5.0/runninglinuxkernel_5.15/git/files

本书推荐的实验环境如下。

1. 主机硬件平台：Intel x86_84处理器兼容主机。
2. 主机操作系统：Ubuntu Linux 20.04
3. GCC版本：9 (aarch64-linux-gnu-gcc-9)

在Ubuntu Linux 20.04可以通过如下命令来安装本书需要的软件包。

$ sudo apt update -y
$ sudo apt install net-tools libncurses5-dev libssl-dev build-essential openssl qemu-system-arm libncurses5-dev gcc-aarch64-linux-gnu git bison flex bc vim universal-ctags cscope cmake python3-dev gdb-multiarch openjdk-13-jre trace-cmd kernelshark bpfcc-tools cppcheck docker docker.io

本书配套的vmware镜像

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本书配套的其他资源

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使用O0编译的内核的好处

这个runninglinuxkernel内核默认使用GCC的“O0”优化等级来编译的。 读者可能发现gdb在单步调试内核时会出现光标乱跳并且无法打印有些变量的值（例如出现）等问题，其实这不是gdb或QEMU的问题。 是因为内核编译的默认优化选项是O2，因此如果不希望光标乱跳，可以尝试把linux-5.15根目录Makefile中的O2改成O0，但是这样编译时有问题，作者为此做了一些修改。 最后需要特别说明一下，使用GCC的“O0”优化等级编译内核会导致内核运行性能下降，因此我们仅仅是为了方便单步调试内核。 使用O1或者O2编译的内核，使用gdb进行单步调试时查看变量会出现大量的。

实验说明

本书配套的实验代码是在kmodules/rlk_basic目录下面。

0. 编译QEMU 6.2

$ sudo apt build-dep qemu
$ wget https://download.qemu.org/qemu-6.2.0.tar.xz
$ tar -Jxf  qemu-6.2.0.tar.xz
$ cd qemu-6.2.0
$ mkdir build
$ cd build/
$ ../configure --target-list=aarch64-softmmu,riscv64-softmmu
$ ninja
$ sudo cp qemu-system-aarch64 /usr/local/bin/qemu-system-aarch64-6.2
$ sudo cp qemu-system-riscv64 /usr/local/bin/qemu-system-riscv64-6.2

1. 编译运行

在runninglinuxkernel_5.15目录下面有一个rootfs_arm64.tar.xz文件，这个是采用Ubuntu/Debian系统的根文件系统制作而成。 但是，这个根文件系统还只是一个半成品，我们还需要根据编译好的内核来安装内核镜像和内核模块，整个过程比较复杂。

1. 编译内核。
2. 编译内核模块。
3. 安装内核模块。
4. 安装内核头文件。
5. 安装编译内核模块必须依赖文件。
6. 制作ext4根文件系统。 这个过程比较繁琐，我们制作了一个脚本来简化上述过程。 注意，该脚本会使用dd命令来生成一个4GB大小的镜像文件，因此主机系统需要保证至少10 GB的空余磁盘空间。若读者需要生成一个更大的根文件系统镜像，可以修改run_rlk_arm64.sh这个脚本文件。

如果在编译内核之前想进入menuconfig界面来配置内核：

$ cd runninglinuxkernel_5.15
$ ./run_rlk_arm64.sh menuconfig

编译内核。

$ ./run_rlk_arm64.sh build_kernel

执行上述脚本需要几十分钟，依赖于主机的计算能力。接着，编译根文件系统。

$ cd runninglinuxkernel_5.15
$ sudo ./run_rlk_arm64.sh build_rootfs

读者需要注意，编译根文件系统需要管理员权限，而编译内核则不需要。执行完成后会生成一个名为rootfs_arm64.ext4的根文件系统。

运行刚才编译好的ARM64版本的Linux系统。 运行run_rlk_arm64.sh脚本，输入run参数即可。

$./run_debian_arm64.sh run

系统登录名: benshushu 密码：123

切换到root用户：su root

如果读者修改了runninglinuxkernel_5.15内核的配置文件，比如arch/arm64/config/debian_defconfig文件，那么需要重新编译内核以及更新根文件系统。

$ ./run_rlk_arm64.sh build_kernel         # 重新编译内核
$ sudo ./run_rlk_arm64.sh update_rootfs  #更新根文件系统

2. 在线安装软件包

QEMU虚拟机可以通过VirtIO-Net技术来生成一个虚拟的网卡，通过NAT网络桥接技术和主机进行网络共享。使用ifconfig命令来检查网络配置。

root@ubuntu:~# ifconfig
enp0s1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 10.0.2.15  netmask 255.255.255.0  broadcast 10.0.2.255
        inet6 fec0::ce16:adb:3e70:3e71  prefixlen 64  scopeid 0x40<site>
        inet6 fe80::c86e:28c4:625b:2767  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 52:54:00:12:34:56  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 23217  bytes 33246898 (31.7 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 4740  bytes 267860 (261.5 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        RX packets 2  bytes 78 (78.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 2  bytes 78 (78.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

可以看到生成了一个名为enp0s1的网卡设备，分配的IP地址为：10.0.2.15。 通过apt update命令来更新Debian系统的软件仓库。

root@ubuntu:~# apt update

如果更新失败，有可能是系统时间比较旧了，可以使用date命令来设置日期。

root@ubuntu:~# date -s 2020-03-29 #假设最新日期是2020年3月29日
Sun Mar 29 00:00:00 UTC 2020

使用apt install命令来安装软件包。比如，可以在线安装gcc。

root@ubuntu:~# apt install gcc

3. 共享文件夹

在主机和QEMU虚拟机之间共享文件。 主机和QEMU虚拟机可以通过NET_9P技术进行文件共享，这个需要QEMU虚拟机和主机的Linux内核都使能NET_9P的内核模块。本实验平台已经支持主机和QEMU虚拟机的共享文件，可以通过如下简单方法来测试。 复制一个文件到runninglinuxkernel_5.15/kmodules目录下面。

$ cp test.c  runninglinuxkernel_5.15/kmodules

启动QEMU虚拟机之后，首先检查一下/mnt目录是否有test.c文件。

root@ubuntu:/# cd /mnt
root@ubuntu:/mnt # ls
README     test.c

我们在后续的实验中会经常利用这个特性，比如把编译好的内核模块或者内核模块源代码放入QEMU虚拟机。

4. 编译内核模块

在QEMU虚拟机中安装必要的软件包。

root@ubuntu: # apt install build-essential

在QEMU虚拟机里编译内核模块时需要指定QEMU虚拟机本地的内核路径，例如BASEINCLUDE变量指向了本地内核路径。“/lib/modules/$(shell uname -r)/build”是一个链接文件，用来指向具体内核源代码路径，通常是指向已经编译过的内核路径。

BASEINCLUDE ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build

编译内核模块，下面以最简单的hello_world内核模块程序为例。

root@ubuntu:/mnt/hello_world# make
make -C /lib/modules/5.15.0+/build M=/mnt/hello_world modules;
make[1]: Entering directory '/usr/src/linux'
  CC [M]  /mnt/hello_world/test-1.o
  LD [M]  /mnt/hello_world/test.o
  Building modules, stage 2.
  MODPOST 1 modules
  CC      /mnt/hello_world/test.mod.o
  LD [M]  /mnt/hello_world /test.ko
make[1]: Leaving directory '/usr/src/linux'
root@ubuntu: /mnt/hello_world#

加载内核模块。

root@ubuntu:/mnt/hello_world# insmod test.ko

5. 对RISC-V的支持

新增了对RISC-V的支持，内置了run_rlk_riscv.sh编译脚本。

$ cd runninglinuxkernel_5.15
$ ./run_rlk_riscv.sh build_kernel
$ sudo ./run_rlk_riscv.sh build_rootfs

6. apt update证书问题

如果在QEMU平台里apt更新失败，如下面日志显示。

benshushu:~# apt update
Get:1 http://mirrors.ustc.edu.cn/debian unstable InRelease [165 kB]
Err:1 http://mirrors.ustc.edu.cn/debian unstable InRelease
  The following signatures couldn't be verified because the public key is not available: NO_PUBKEY 648ACFD622F3D138 NO_PUBKEY 0E98404D386FA1D9
Reading package lists... Done
W: GPG error: http://mirrors.ustc.edu.cn/debian unstable InRelease: The following signatures couldn't be verified because the public key is not available: NO_PUBKEY 648ACFD622F3D138 NO_PUBKEY 0E98404D386FA1D9
E: The repository 'http://mirrors.ustc.edu.cn/debian unstable InRelease' is not signed.
N: Updating from such a repository can't be done securely, and is therefore disabled by default.
N: See apt-secure(8) manpage for repository creation and user configuration details.
benshushu:~#

这个是由于PGP证书的问题，上述日志显示有两个证书有问题，我们可以通过如下方式来修复。

# apt-key adv --keyserver pgp.mit.edu --recv-keys 648ACFD622F3D138 //其中648ACFD622F3D138为有问题的证书Key

# apt-key adv --keyserver pgp.mit.edu --recv-keys 0E98404D386FA1D9 //其中0E98404D386FA1D9为有问题的证书KEY

上述两个证书修复之后就可以执行apt update操作了。

# apt update

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