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Linux操作系统框架

Linux内核的主要功能：

Linux的内核目录结构：

结构图: 

详细介绍： 

uname - a 补充

编译之前

UTC 时间补充

Linux内核编译流程:

方法一:  官方内核编译:

1. 运行 build.sh 脚本， 记得加 sudo 权限

2. 选择 Kernel package， 然后回车 

3. 然后会提示是否需要显示内核配置界面

4. 接着选择开发板的型号 

编译完成

5. 查看编译生成的内核相关的 deb 包 --  生成在这个 output/debs/  路径下

解压  linux-image 的deb包得到如下目录:

​编辑

6. 重复编译 kernel

7. 如果对内核做了修改 可以使用下面的方法来更新开发板 linux 系统的内核和内核模块

编译之后

编译 linux 内核:

Linux操作系统框架

Linux内核的主要功能：

进程管理、内存管理、驱动、系统调用

Linux的内核目录结构：

结构图: 

详细介绍： 

a. arch/：这个目录包含了不同架构处理器的代码，如x86，arm，mips等。每个架构都有自己的子目录，如arch/x86/，arch/arm/等。在每个架构的子目录中，又有一些子目录和文件，如boot/，lib/，mm/，include/等，分别包含了特定平台的启动代码，库函数，内存管理，头文件

b. block/：这个目录包含了块设备的代码，如硬盘，光驱等。block/目录中主要包含了块设备的基本框架和I/O调度算法，以及一些通用的块设备驱动

c. crypto/：这个目录包含了加密算法的代码，如AES，SHA1，MD5等

d. drivers/：这个目录包含了设备驱动程序的代码，如键盘，鼠标，网卡，声卡，摄像头等。drivers/目录中的代码按照设备的类别进行分类，如char/，block/，input/，i2c/，spi/，pci/，usb/等

e. fs/：这个目录包含了文件系统的代码，如ext4，fat，ntfs，nfs，cifs等。fs/目录中的代码按照文件系统的类型进行分类，如ext4/，fat/，ntfs/等。在fs/目录中，还有一些通用的文件和子目录，如mount.h，dentry.c，proc/，sysfs/等，它们用于实现文件系统的基本功能和接口

f. include/：这个目录包含了内核所需的头文件，如linux/，asm/，uapi/等。头文件是用于声明变量，函数，结构，宏，常量等的文件，它们可以被其他的源文件引用，以便共享和重用代码。include/目录中的头文件按照不同的层次和用途进行分类，如linux/目录中的头文件是与平台无关的，asm/目录中的头文件是与平台相关的，uapi/目录中的头文件是用于内核和用户空间的API的

g. init/：这个目录包含了内核初始化的代码，如main.c，version.c，do_mounts.c等。init/目录中的代码是内核的入口和核心，它们负责调用其他子系统和模块的初始化函数

• ipc/：这个目录包含了进程间通信的代码，如sem.c，msg.c，shm.c等。进程间通信是指在不同的进程之间传递数据和信号的方法，它们可以让进程之间实现协作和同步。ipc/目录中的代码实现了一些常用的进程间通信机制，如信号量，消息队列，共享内存等

• kernel/：这个目录包含了内核的核心代码，如sched/，irq/，time/，fork.c，exit.c，signal.c等。kernel/目录中的代码实现了一些内核的基本功能和服务，如进程调度，中断处理，时间管理，进程创建，进程终止，信号处理等

• lib/：这个目录包含了内核需要引用的一些库函数的代码，如string.c，vsprintf.c，crc32.c等

• mm/：这个目录包含了内存管理的代码

• net/：这个目录包含了网络协议的代码，和网卡驱动不相关代码、

• scripts/：这个目录包含了内核编译所需的一些脚本，如Makefile，Kconfig，checkpatch.pl等
• tools/：这个目录包含了一些和内核交互的工具，如perf/，ftrace/，cpupower/，objtool/等。工具是用于分析和调试内核的程序，它们可以让内核的性能和稳定性更加优化和提高

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uname - a 补充

uname -a 是一个在 Linux 和 Unix 系统上常用的命令，用于显示当前系统的信息。

具体来说，-a 选项（代表 "all"）用于显示尽可能多的系统信息。

输出通常包含以下几个部分（但可能会因不同的系统和版本而异）：

内核名称：例如 Linux
主机名：系统的主机名，这通常是你在 /etc/hostname 或使用 hostname 命令设置的名称。
内核版本号：当前运行的内核的版本。
内核发布日期：内核的发布或编译日期。
机器硬件名称：例如 x86_64 表示 64 位的 x86 架构。
处理器类型：例如 x86_64、i686 等。
操作系统：例如 GNU/Linux（但注意，这个信息并不总是显示）
例如，一个可能的输出是：

bash

Linux myhostname 5.4.0-7642-generic #38~1598903417~20.04~385a5d2-Ubuntu SMP PREEMPT Wed Sep 2 21:30:07 UTC 2020 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

在这个例子中：

内核名称是 Linux
主机名是 myhostname
内核版本是 5.4.0-7642-generic
内核发布日期（或编译日期）是 Wed Sep 2 21:30:07 UTC 2020
机器硬件名称和处理器类型都是 x86_64
操作系统是 GNU/Linux
这个命令在需要快速查看系统信息、诊断问题或编写与特定系统相关的脚本时非常有用。

编译之前

注意这里的时间是UTC 时间

后续我们会通过这个命令验证内核编译是否成功

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UTC 时间补充

UTC  时间和北京时间相差 8h
UTC（协调世界时，Coordinated Universal Time）是一种全球标准的时间标准，用于协调世界各地的时间。以下是关于UTC时间的详细介绍：

定义：UTC是根据原子钟生成的时间，被认为是“最精确的时间”。它的时间间隔被称为“秒”，并且具有高度的精确性和稳定性，不受地理位置的影响。

历史：UTC的概念在1960年由国际无线电咨询委员会规范统一，并在次年投入实际使用。它的计时基准是国际原子时（TAI），并通过加入闰秒来与世界时（UT1）保持同步。

应用：UTC在科学、政府、商业、金融等领域被广泛应用，如GPS导航、航天和通信。许多计算机和通信系统都以其为基准进行时间同步，以确保全球各地的时间一致性和协调性。

与GMT的关系：在1972年之前，格林威治时间（GMT）一直是世界时间的标准。然而，由于GMT是基于地球自转速度的观测和计算，其精度受到自然现象（如潮汐和季节变化）的影响。而UTC则基于原子钟的时间测量，具有更高的精度和稳定性。

特点：UTC以24小时制表示时间，并使用时区来调整不同地区的时间差异。它的特点是具有高度的精确性和稳定性，能够确保全球各地的时间准确性和一致性。

DTS  设备树补充:

DTS（Device Tree Source）设备树是一种用于描述硬件设备和资源的数据结构，它在嵌入式系统开发中扮演着重要的角色。以下是关于DTS设备树的详细介绍：

基本概念：DTS设备树采用树形结构来描述硬件设备的层次关系，每个节点代表一个硬件设备或子系统。节点可以包含设备的名称、类型、地址、中断号等信息，还可以包含子节点来表示该设备所连接的其他设备。
作用：通过DTS设备树，操作系统可以在运行时动态地识别和配置硬件，而无需在代码中硬编码驱动程序。这大大简化了硬件驱动的编写和管理工作，提高了系统的可移植性和可扩展性。
文件格式：DTS文件通常使用文本格式编写，易于阅读和编辑。文件名通常以.dts为扩展名，而.dtsi文件则用于描述SOC级信息（如CPU数量、主频、外设控制器信息等），可以被多个DTS文件共享以提高可重用性。
工作流程：在嵌入式系统开发中，DTS文件首先被编译成DTB（Device Tree Blob）二进制文件。这个编译过程通常使用设备树编译器（DTC）来完成。然后，在boot loader运行时，DTB文件被传递给操作系统。操作系统通过解析DTB文件来获取系统中所有硬件设备的配置信息，并据此进行初始化和配置。
应用：DTS设备树在嵌入式系统中的应用非常广泛，尤其是在嵌入式Linux系统中。通过DTS设备树，Linux内核可以自动识别并配置各种硬件设备，如CPU、内存、网卡、串口等。此外，DTS还支持热插拔功能，即在系统运行时动态添加或删除硬件设备，这对于需要频繁更换硬件设备的场景非常有用。
优点：DTS设备树将硬件信息从内核代码中分离出来，使得硬件信息更加清晰、易于管理和维护。同时，它也提高了系统的可移植性和可扩展性，使得开发人员可以更加容易地将代码移植到不同的硬件平台上。
总之，DTS设备树是一种非常重要的数据结构，它简化了硬件驱动的编写和管理工作，提高了系统的可移植性和可扩展性。在嵌入式系统开发中，DTS设备树发挥着不可替代的作用。

dtbs 可能是指Device Tree Blob Source的缩写，用于描述或存储设备树源文件的集合。Device Tree Blob（DTB）是设备树描述（Device Tree Description）的二进制表示，它描述了硬件的结构和配置，特别是在嵌入式系统中。

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Linux内核编译流程:

方法一:  官方内核编译:

//参考自官方的编译方式，详见（《OrangePi_Zero2_H616用户手册v4.0》 6.4 编译Linux内核）

1. 运行 build.sh 脚本， 记得加 sudo 权限

sudo ./build.sh

2. 选择 Kernel package， 然后回车 

3. 然后会提示是否需要显示内核配置界面

 如果不需要修改内核配置， 则选择第一个即可

 如果需要修改内核配置， 则选择第二个 

4. 接着选择开发板的型号 

因为我们使用的板子是 orangepi02 ，so我们选 orangepizero2

然后就进行编译了，注意这里编译耗时很长，我耗时一个半小时，可能其他条件因素，耗时几小时也是可能得。

编译完成

<h2 id="mySection">编译之前</h2>

5. 查看编译生成的内核相关的 deb 包 --  生成在这个 output/debs/  路径下

a. linux-dtb-next-sun50iw9_3.1.0_arm64.deb 包含有内核使用的 dtb 文件
b. linux-headers-next-sun50iw9_3.1.0_arm64.deb 包含内核头文件
c. linux-image-next-sun50iw9_3.0.1_arm64.deb 包含内核镜像和内核模块

如下图

我们需要的是镜像文件

解压  linux-image 的deb包得到如下目录:

其中 ./boot/下的:

config -- 是配置文件
vmlinuz 是我们需要的内核文件

6. 重复编译 kernel

 使用下面的命令无需通过图形界面选择， 可以直接开始编译kernel

sudo ./build.sh BOARD=orangepizero2 BRANCH=next BUILD_OPT=kernel KERNEL_CONFIGURE=no

7. 如果对内核做了修改 可以使用下面的方法来更新开发板 linux 系统的内核和内核模块

# 这里的ip 和用户名根据自身的修改
scp linux-image-next-sun50iw9_3.1.0_arm64.deb orangepi@192.168.1.11:/home/orangepi/

# 查看之前安装的内核:
dpkg -l | grep linux-image

# 卸载之前安装的内核
sudo apt purge -y linux-image-next-sun50iw9 # 也有可能是linux-image-next-sun50iw9

# 安装我们scp 过来的新内核， -i -->  install
sudo dpkg -i linux-image-next-sun50iw9_3.1.0_arm64.deb

# reboot  -- 重启，我们的内核才生效

编译之后

// 和之前  编译之前 的对比，发现我们的日期时间 已经修改为了今天的UTC，说明我们已经编译成功了

如果对dpkg不够了解的朋友请看这一篇:

一文带你了解 dpkg-CSDN博客

报错小插曲：

dpkg -i  下载的时候出现问题：dpkg-deb: error: paste subprocess was killed by signal

解决:

sudo dpkg -i --force-overwrite linux-image-next-sun50iw9_3.1.0_arm64.deb 

sudo apt-get -f install

可以尝试的方法:

我们这样解决，一次执行下面命令:
sudo apt-get clean
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade

sudo apt-get clean 是一个在Debian和Ubuntu等基于Debian的Linux发行版中常用的命令，它用于清理本地存储的已下载的.deb软件包文件。这些.deb文件通常在你使用apt-get命令安装、升级或删除软件包时被下载到/var/cache/apt/archives/目录中。

具体来说，sudo apt-get clean命令的作用如下：

清理下载的包：它删除/var/cache/apt/archives/目录下所有已下载的.deb软件包文件。这些文件在你成功安装软件包后通常是不再需要的，但它们会占用磁盘空间。
节省磁盘空间：如果你的系统经常进行软件包的安装、升级或删除操作，那么/var/cache/apt/archives/目录可能会积累大量的.deb文件，从而占用大量的磁盘空间。sudo apt-get clean命令可以帮助你释放这些空间。
不影响已安装的软件包：这个命令只会删除已下载的.deb文件，而不会影响已经安装在你的系统上的软件包。因此，你不需要担心运行这个命令会导致已安装的软件包被删除或损坏。
需要注意的是，虽然sudo apt-get clean命令可以释放磁盘空间，但如果你希望更深入地管理你的软件包缓存，你还可以考虑使用sudo apt-get autoclean命令。这个命令会删除过时的.deb文件（即那些在新版本的软件包管理器中不再需要的文件），而不仅仅是所有已下载的.deb文件。这样可以在保持一些可能在未来需要的.deb文件的同时，进一步节省磁盘空间。

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方法二:

上述官方编译kernel的方法可以用以下步骤代替:

1. 清理旧配置文件及生成的文件

sudo apt-get install ccache #安装ccahe，用于编译加速

export PATH=$PATH:/home/mxjun/orangepi-build/toolchains/gcc-arm-9.2-2019.12-x86_64-aarch64-none-linux-gnu/bin #给root用户导入交叉编译环境，需要先切换到root用户

// 注意这里不能使用 whoami --> 我们需要切换到 root  用户操作 ， 得到的用户名是root 

make ARCH=arm64 distclean

2. 配置内核， 更新内核依赖属性和新属性， 生成.config:

cp ../../external/config/kernel/linux-5.16-sun50iw9-current.config .config #拷贝默认配置
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE="aarch64-none-linux-gnu-" olddefconfig #这里执行make menuconfig 然后exit也是可以的

a. make olddefconfig 的作用是根据已有的 .config 文件生成一个新的 .config 文件，同时更新内核的依赖属性和新属性。它会使用旧的 .config 文件中的参数作为默认参数，不会询问用户的选择。它会将新添加的内核选项设置为默认值，也不会提醒用户。它会将旧的 .config 文件重命名为 .config.old 文件，以备后用.
b. make olddefconfig 的作用和 make oldconfig 类似，但是 make oldconfig 会以交互方式询问用户对
新配置的选择，而 make olddefconfig 不会
c. make menuconfig 是基于 Ncurses 图形界面去配置 .config 文件，它可以让用户在一个菜单式的界面
中选择和修改内核的各种选项，也可以查看选项的帮助信息，它是一种比较方便和直观的配置方式

3. 编译内核：

make -j6 ARCH=arm64 'CROSS_COMPILE=ccache aarch64-none-linux-gnu-' LOCALVERSION=-sun50iw9 Image modules dtbs

// 以ccache 高速缓存去加速交叉编译，    modules-->编译模块  dtbs -->编译设备树

4. 安装 内核 和 驱动:

make modules_install INSTALL_MOD_STRIP=1 INSTALL_MOD_PATH=$PWD/_install ARCH=arm64 'CROSS_COMPILE=ccache aarch64-none-linux-gnu-' #安装驱动
make install INSTALL_PATH=$PWD/_install/boot #安装内核

//  参数: INSTALL_MOD_STRIP=1 --> 删除调试信息 or 链接调试符，节省编译空间，对orangepi不太明显，对×86 内核会明显

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或者直接打包成deb包：

cp external/patch/misc/headers-debian-byteshift.patch /tmp

make -j6 bindeb-pkg KDEB_PKGVERSION=3.1.0 KDEB_COMPRESS=xz BRANCH=next \
LOCALVERSION=-sun50iw9 KBUILD_DEBARCH=arm64 ARCH=arm64 DEBFULLNAME="Orange Pi" \
CROSS_COMPILE="ccache aarch64-none-linux-gnu-”

解读:

a.bindeb-pkg 是指定 make 命令使用 Debian 的格式来打包内核，生成一个 .deb 文件，这样可以方便
地在 Debian 系的系统中安装内核 。
b. KDEB_PKGVERSION=3.1.0 是指定打包的内核的版本号为 3.1.0，这个版本号可以自定义，也可以使用
内核的默认版本号 。
c. KDEB_COMPRESS=xz 是指定打包的内核使用 xz 的压缩格式，这样可以减少打包文件的大小，也可以
使用其他的压缩格式，如 gzip, bzip2 等 。
d. BRANCH=next 是指定编译的内核的分支为 next
c. LOCALVERSION=-sun50iw9 是指定编译的内核的本地版本为 -sun50iw9
d. KBUILD_DEBARCH=arm64 是指定打包的内核的架构为 arm64，这个架构是用来表示 64 位的 ARM
处理器。
e. ARCH=arm64 是指定编译的内核的架构为 arm64 。
f. DEBFULLNAME=Orange Pi 是指定打包的姓名为 Orange Pi。

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 Linux根文件系统

根文件系统也叫roofs，Linux 根文件系统是指整个文件系统的最顶层，以 "/" 来表示。它是内核启动时所挂载的第一个文件系统，包含了系统运行所必需的目录和文件:

1. /bin目录下存放着系统需要的可执行文件比如ls、mv、cp等命令，现在新根文件系统的像ubuntu等
debian系的rootfs， 基本都是软链接到/usr/bin目录下
2. /dev目录下面存放着的文件都与设备有关，此目录下的文件都是设备文件。
3. /etc目录存放Linux下所必须的库文件
4. /mnt目录， 临时挂载目录，可以在从目录下创建空的子目录
5. /proc、sys 目录， Linux虚拟文件系统,由内核生成各类节点
6. /sbin 一般软链到/usr/sbin下，一般存放一些root权限才能执行的命令
7. /lib 软链接到/usr/lib目录，用于存放库文件
8. /usr/ 存放lib bin sbin目录， 另外的share目录里面存放的是共享、只读的程序和数据
9. /tmp/存放临时文件或目录
10. /root目录 系统管理员（root）的主文件夹，即是根用户的目录，与此对应，普通用户的目录
是/home下的某个子目录。
11. /var目录、与/usr目录相反，/var目录中存放可变的数据，比如log文件\临时文件等。
12. /home目录，系统默认的用户文件夹，它是可选的，对于每个普通用户，在/home目录下都有一个以用户名命名的子目录，里面存放用户相关的配置文件。
根文件系统的编译详见（《OrangePi_Zero2_H616用户手册v4.0》 6.5. 编译 rootfs )