为您的嵌入式项目定制 Linux 内核
简介
嵌入式系统已成为现代技术的基石，为从物联网设备到汽车控制系统的一切设备提供动力。这些专用系统依赖于轻量级、高效且高度优化以适应特定硬件配置的软件。Linux 内核是该软件堆栈的核心，由于其灵活性、稳健性和开源性质，被广泛应用于嵌入式设备中。
然而，通用的 Linux 内核通常充斥着不必要的驱动程序、模块和功能，这些对于嵌入式应用来说是不相关的。对于从事嵌入式系统开发的开发人员来说，构建定制的 Linux 内核不仅是优化性能的一种手段，也是减少系统资源消耗、提高安全性以及增强硬件兼容性的一种方式。
在本文中，我们将指导您完成为嵌入式系统构建定制 Linux 内核的复杂过程。我们将探讨内核定制的原因、必要的先决条件、配置、编译和部署内核的逐步说明，以及最后，确保生产环境中稳定性和性能的最佳实践。
为什么为嵌入式系统定制 Linux 内核？
性能优化为嵌入式系统构建定制 Linux 内核的关键原因之一是性能。默认内核包含旨在跨各种硬件平台工作的功能，但这些通用功能在嵌入式应用中通常是不必要的。通过删除未使用的驱动程序和模块，您可以显着提高系统性能，缩短启动时间并优化资源使用率。这使得嵌入式系统能够更快地运行，减少中断并降低功耗，这对于计算能力或电池寿命有限的设备至关重要。
例如，在基于 ARM 处理器的物联网设备上运行的设备不需要支持高性能网络协议或高级图形界面。定制内核确保仅包含必要的功能，从而减少开销。
减少资源消耗嵌入式系统通常在有限的内存、存储和 CPU 功率下运行。精简的内核可以最大限度地减少内存使用量，帮助设备更高效地运行。通过消除不必要的功能（例如未使用的文件系统、调试符号和内核级服务），您可以节省宝贵的系统资源。这对于实时嵌入式系统尤为重要，即使是很小的低效率也可能导致响应延迟或错过截止日期。
增强安全性定制 Linux 内核还可以通过减少攻击面来增强安全性。嵌入式系统经常部署在安全性至关重要的环境中，例如汽车系统或医疗设备。通过禁用易受攻击或不必要的内核功能，您可以防止潜在的漏洞利用。此外，您可以实施内核安全机制，如 SELinux、AppArmor 或 Seccomp，以进一步加强系统防御恶意攻击。
缩短启动时间在许多嵌入式应用中，快速启动时间是一项关键要求。从内核中删除不必要的驱动程序和模块可以大大加快初始化速度，从而缩短设备达到可操作状态所需的时间。例如，工业自动化或汽车系统中使用的设备可能需要在几秒钟内启动。在这种情况下，为快速启动量身定制的定制内核至关重要。
硬件兼容性许多嵌入式系统依赖于需要特定内核配置的专用硬件组件。定制内核允许您确保与嵌入式硬件（例如片上系统 (SoC)、外围设备和传感器）的完全兼容性。这也意味着您可以为标准内核发行版中未包含的新的或专有硬件添加支持。
构建定制内核的先决条件
在深入了解构建定制 Linux 内核的实际过程之前，必须满足某些先决条件。这些条件涉及硬件和软件要求。
硬件要求首先，您需要目标嵌入式系统的硬件或模拟实际生产环境的开发板。嵌入式系统的常用平台包括
- 基于 ARM 的开发板，如 Raspberry Pi、BeagleBone 或 STM32。
- SoC，如 Qualcomm Snapdragon 或 NXP i.MX。
- 嵌入式 x86 或 MIPS 架构。
除了硬件之外，您可能还需要外围组件，如网络接口、串行控制台或存储设备，用于测试内核。
软件要求构建定制内核需要基于 Linux 的开发环境。Ubuntu、Debian 或其他 Linux 发行版通常用于此目的。需要以下基本软件包
- 内核源代码：您可以从 Linux 内核归档下载内核源代码。
- 交叉编译工具链：对于嵌入式系统，交叉编译是必要的，以便为与开发机器上运行的架构（例如 ARM）不同的架构编译内核。
- GNU Make 和 GCC：这些是用于编译内核的工具。
使用以下命令在您的 Linux 开发环境中安装这些工具
sudo apt-get install build-essential libncurses-dev bc git flex bison
要设置用于交叉编译的开发环境，请下载并安装特定于目标架构的交叉编译器。例如，对于基于 ARM 的系统
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
此交叉编译器允许您在开发机器上构建可在基于 ARM 的嵌入式系统上运行的内核。
获取和配置 Linux 内核
下载内核源代码构建定制内核的第一步是下载源代码。这可以通过克隆内核存储库或从 Linux 内核归档下载稳定版本来完成
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.10.77.tar.xz tar -xf linux-5.10.77.tar.xz cd linux-5.10.77
确保您下载的内核版本与您的嵌入式硬件兼容。某些嵌入式平台可能具有特定的内核版本，这些版本与其硬件组件配合使用效果最佳。
内核配置选项下载内核源代码后，下一步是配置它。这涉及根据嵌入式系统的需求启用或禁用特定功能、驱动程序和模块。您可以使用以下命令启动内核配置界面
make menuconfig
menuconfig 界面提供了一个基于菜单的系统来配置内核。重点关注以下关键领域
- 处理器类型和功能：将架构设置为与您的嵌入式设备匹配（例如，ARM、x86、MIPS）。
- 设备驱动程序：仅启用嵌入式硬件所需的驱动程序。禁用设备不需要的组件的驱动程序，例如声卡或图形界面（如果它们与您的设备无关）。
- 文件系统：如果您的嵌入式系统使用特定的文件系统（例如，ext4 或 JFFS2），请启用对其的支持，同时禁用其他文件系统。
例如，如果您的嵌入式系统使用 ARM，请导航到“处理器类型和功能”，然后选择 ARM 特定的选项
处理器类型和功能 -> ARM 系统类型 -> 选择您的平台
仔细考虑嵌入式系统的特定硬件和软件要求，并相应地调整配置。
交叉编译 Linux 内核
为什么需要交叉编译嵌入式系统通常在与开发中使用的架构不同的架构上运行。交叉编译允许开发人员在其桌面（例如，x86 架构）上构建内核，并生成将在嵌入式设备（例如，ARM 架构）上运行的二进制文件。
设置交叉编译器确保已安装适当的交叉编译器。对于基于 ARM 的嵌入式系统，您将需要 ARM 交叉编译器工具链
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf
对于 MIPS 系统，需要 MIPS 交叉编译器
sudo apt-get install gcc-mips-linux-gnu
要使用交叉编译器构建内核，请使用以下命令。首先，清除任何旧的构建文件
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- clean
接下来，使用交叉编译器编译内核
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- -j$(nproc)
在此，-j$(nproc) 允许构建过程使用开发机器上的所有可用 CPU 核心来加速编译。
如果构建成功，编译后的内核映像将在 arch/arm/boot/ 目录中可用。对于 ARM 系统，映像通常命名为 zImage 或 Image。
安装和测试定制内核
将内核复制到嵌入式设备编译内核后，下一步是将其传输到嵌入式系统。这可以使用各种方法完成
- SD 卡或 USB：如果嵌入式设备从 SD 卡或 USB 启动，您可以将内核映像直接复制到启动分区。
- 网络传输：对于通过网络连接的系统，可以使用 SCP 等工具来传输内核映像
scp arch/arm/boot/zImage user@embedded-device:/boot/
要使用新内核启动嵌入式系统，必须配置引导加载程序（例如 U-Boot 或 GRUB）以加载新内核映像。对于 U-Boot，更新启动配置
setenv bootcmd 'fatload mmc 0:1 0x80000000 zImage; bootz 0x80000000' saveenv
重新启动设备以测试新内核。
排除启动或内核问题如果设备无法启动或遇到内核崩溃，则使用串行控制台日志调试问题非常重要。连接到设备的串行端口，并使用终端应用程序（如 minicom 或 screen）捕获启动日志。查找指示缺少驱动程序或硬件支持的错误消息，并相应地调整内核配置。
优化用于生产的定制内核
减小内核大小对于存储空间有限的嵌入式系统，减小内核的大小至关重要。最小化内核大小的技术包括
- 禁用调试功能：通过在内核配置中配置
CONFIG_DEBUG_KERNEL=n来禁用内核调试符号。 - 使用压缩：使用 gzip 或 LZMA 压缩内核映像以进一步减小其大小
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- zImage.gz
在生产环境中，安全性至关重要。在内核配置期间启用安全模块，如 SELinux 或 AppArmor。此外，应用解决已知漏洞的内核安全补丁，并使用 Seccomp 等内核功能来限制可用于不受信任进程的系统调用。
测试稳定性和性能在生产环境中部署定制内核之前，请彻底测试其稳定性。使用 stress-ng 或 sysbench 等工具执行压力测试，确保系统可以在不崩溃的情况下处理最大负载。验证所有硬件组件是否正常运行，并监控系统日志中是否有任何异常行为。
内核更新是维护安全稳定的嵌入式系统的必要组成部分。在应用更新时，请确保更改不会引入新的错误或性能下降。最好使用版本控制（例如 Git）来跟踪对内核配置和源代码的更改。
最佳实践和常见陷阱
内核定制技巧在定制内核时，建议进行增量更改并经常测试。首先一次只禁用少量功能，并验证系统是否仍按预期运行。这降低了引入难以调试的问题的可能性。
常见错误和修复在构建定制内核时，编译错误很常见。解决这些问题的一些技巧包括
- 缺少头文件：确保安装了所有必要的开发包。
- 驱动程序问题：仔细检查内核配置，确保启用了所需的驱动程序。
记录对内核配置所做的每一项更改，包括启用或禁用了哪些功能以及原因。使用 Git 管理内核版本并跟踪一段时间内的更改，以便在必要时恢复到以前的稳定版本。
结论
为嵌入式系统构建定制 Linux 内核是优化性能、增强安全性以及根据特定硬件要求定制系统的强大方法。通过仔细选择内核功能和驱动程序，您可以显着提高嵌入式设备的效率，减少资源消耗，并满足严格的生产要求。
虽然这个过程可能看起来很复杂，但微调内核的回报是值得付出的努力。无论您是在小型物联网设备还是在关键任务汽车系统上工作，掌握内核定制都将使您更好地控制嵌入式系统，并帮助您构建更可靠、安全和高性能的产品。
George Whittaker 是 Linux Journal 的编辑，也是一位定期撰稿人。George 从事技术写作已有二十年，并且是 Linux 用户超过 15 年。在空闲时间，他喜欢编程、阅读和游戏。
