实验目的
- 编译linux内核，并在qume虚拟机中运行。
实验原理
Linux内核启动原理：
系统上电之后，通过BIOS初始化硬件，定位Bootloader. Bootloader（引导加载程序） 是一种特殊的小程序，它负责在BIOS初始化后，从存储设备中加载操作系统内核 并把控制权交给内核。随后内核完成初始化、挂载根文件系统（这是什么，为什么要这个）。随后运行/init 程序程序。流程如图所示
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| 1. 上电 / 重启 |
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| 2. BIOS / UEFI | ← 初始化硬件，定位Bootloader
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| 3. Bootloader | ← 加载内核和initrd，传递参数
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| 4. Linux 内核 | ← 初始化内核、挂载根文件系统
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| 5. /init 程序 | ← 第一个用户态进程（PID 1）
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Bootloader程序的initrd是什么？
系统内核启动过程
Linux 启动过程中，内核完成自身初始化（设备驱动、内存管理、调度器等）后，要进入“用户空间”，运行第一个用户程序，即 init（PID 1）程序；这个 init 通常负责启动系统服务，初始化系统，进入 login 界面等；但由于 init 是一个用户程序，必须存放在某个文件系统中，内核必须先挂载文件系统才能找到它。
那么如何挂在文件系统呢？ 在grub（Bootloader的一种）中提供了一个选项“root=”用来指定第一个文件系统，告诉内核要挂载哪个分区作为根文件系统（rootfs）。问题是，有时候这个文件系统是在 USB、SCSI、NVMe 等设备上；而内核需要这些设备的 驱动程序 才能访问它们；可是这些驱动程序本身又存在于文件系统里 —— 就是你还没挂载的那个文件系统；这样就形成一个悖论：“要访问文件系统，需要驱动；而要加载驱动，需要先访问文件系统”。
解决方案是：创建一个临时根文件系统，有文件系统，有cache，放在内存中（RAM disk）；启动时，内核把这个 RAM disk 文件系统先挂载起来，从里面加载驱动模块、init 脚本等；就是我们说的 initrd（initial RAM disk）机制；挂载完 RAM disk 后，init 脚本运行，负责加载硬盘驱动、挂载真实的根文件系统，然后切换过去。
但是，这种RAM disk的方案（下称initrd）虽然解决了问题但并不完美。 比如，disk有cache机制，对于RAM disk来说，这个cache机制就显得很多余且浪费空间；disk需要文件系统，那文件系统（如ext2等）必须被编译进kernel而不能作为模块来使用。
Linux 2.6 kernel提出了一种新的实现机制，即initramfs（RAM filesystem）。它不是模拟磁盘，而是使用 Linux 的 ramfs/tmpfs 内存文件系统；它本质上是一个 cpio 格式归档文件（压缩格式的一种），里面打包了 /init 脚本、必要的驱动、命令工具等；启动时，内核自己解压并加载它为 rootfs，无需挂载、无需缓存机制、也无需预置文件系统驱动；非常简洁高效，是现代 Linux 启动默认使用的机制。
initramfs工作机制
bootloader加载内核镜像文件与initramfs，内核解压 cpio 格式的 initramfs，加载为初始根文件系统，然后内核寻找 /init 文件并运行它（通常是 shell 脚本）；这个脚本加载驱动、挂载真正的磁盘根文件系统，然后用 exec chroot . /sbin/init 切换过去；从此进入真实系统，initramfs 文件系统可以被释放。
实验过程
实验准备
请使用Ubuntu 22.04，不要使用Ubuntu 24，因为我尝试发现BusyBox暂时还没有支持Ubuntu24的
请自行下载这两个压缩包
解压文件
tar -jxvf busybox-1.37.0.tar.bz2
tar -Jxvf linux-source-6.1.tar.xz
tar 压缩命令：https://www.runoob.com/linux/linux-comm-tar.html
编译文件
编译linux文件
make menuconfigmake menuconfig 是图形化辅助生成.config文件的命令，这里我们直接Save
编译并生成bzImage镜像文件
make -j$(nproc) bzImage
bzImage 是一种用于 Linux 内核启动的映像文件格式，全称为 Binary Bootable Image。可以用来指导完成内核设置（Kernel Setup），内核初始化（Kernel Initialization）等。
编译busybox
make menuconfigSetttings 选中 Build static binary (no shared libs), 使其编译成静态链接的文件, 因为bzImage内核本身不提供glibc
执行make install -j$(nproc), 当前文件夹会出现名为_install的文件夹。（有warning不用管，能跑就行。。。）
收尾工作
编写init程序
touch init#!/bin/sh
echo "INIT SCRIPT"
mkdir /proc
mkdir /sys
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mkdir /tmp
mount -t tmpfs none /tmp
echo -e "\nThis boot took $(cut -d' ' -f1 /proc/uptime) seconds\n"
exec /bin/shsudo chomd +x init
将_install 打包为cpio文件
find . | cpio -o --format=newc > ../rootfs.cpio--format=newc 指定打包文件的格式为 newc。newc 是一种常见的 cpio 格式，它支持长文件名和一些扩展属性，适用于 Linux 系统。
> 是重定向符号，用于将命令的输出保存到指定的文件中。
../rootfs.cpio 表示将打包后的文件保存到当前目录的上一级目录中，文件名为 rootfs.cpio。
编写startup.sh
GNU nano 6.2 startup.sh qemu-system-x86_64 \
-kernel /home/sun/oslab2/linux-source-6.1/arch/x86/boot/bzImage \
-initrd /home/sun/oslab2/busybox-1.37.0/rootfs.cpio \
--append "nokaslr root=/dev/ram init=/init console=ttyS0 " -nographic执行./startup.sh
成功启动！！！
GDB 完成内核调试
重新编译内核
之前编译内核的时候，我们直接选择save，linux默认生成不带有调试信息的内核。现在需要修改linux配置， 导航到 Kernel hacking → Compile-time checks and compiler options → Debug information，选择Generate DWARF Version 5 debuginfo.之后重新make -j$(nproc)
检查vmlinux文件
在内核源码文件夹下有一个名为vmlinux的文件, 是内核的符号表, 用的上的用不上的都在里面。
file /home/sun/oslab2/linux-source-6.1/vmlinux
可以看到，有with debug_info
执行下面一行，后面有用
readelf -h /home/sun/oslab2/linux-source-6.1/vmlinux | grep Entry
修改startup文件
加入-s -S
qemu-system-x86_64 \
-kernel /home/sun/oslab2/linux-source-6.1/arch/x86/boot/bzImage \
-initrd /home/sun/oslab2/busybox-1.37.0/rootfs.cpio \
-append "nokaslr root=/dev/ram init=/init console=ttyS0" \
-s -S \
-nographic
开始调试
在一个终端执行./startup之后，在另一个终端执行
gdb /home/sun/oslab2/linux-source-6.1/vmlinux
target remote :1234
break start_kernel
continue
完成内核调试！！！
学习资料
USTC-LAB(1)差一个e怎么差这么多，脸都丢尽了
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