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基于 Docker/Qemu 快速构建 Linux 内核实验环境

Wu Zhangjin 创作于 2016/07/20

By Falcon of TinyLab.org 2016-07-20 01:46:26

缘起

早在大学的时候,就尝试过,在学校报废的古老 i386 的机器上跑 User Mode Linux,为 兰大开源社区 的用户提供过在线 Linux 虚拟实验环境,目的就是希望为大家降低 Linux 学习准入的门槛。

而比较近的尝试是 Linux 0.11 Lab,一个基于 Docker/Qemu,可以在 5 分钟内构建的 Linux 0.11 实验环境。

这些动作的背后是意识到,很多时候,工程类的学习之所以不能深入或者久久无法入门,很大程度是卡在实践必须的实验环境的构建上。

要知道,我上大研究生那伙,一个月 400 块的补助,除了吃喝,根本就没钱买开发板,幸好实验室有大量板子可以玩。但是,作为学生,大多没有经济收入来源,不一定那么容易取得所需的开发板。

而另外一个方面是,即使是有钱买板子,如果只是想研究某个内核特性,那些折腾板子的挫折也可能彻底堵住 Linux 求学之路。

所以,有幸有这么多前辈们铺路,先有了比 User Mode Linux 更强大的虚拟机 Qemu/KVM,后有了容器 Docker,整个的开发环境搭建过程变得非常地便捷。

从最初玩 Linux 0.11,花了不下 2 个多礼拜才把环境搭建起来,把环境分享出去后,也前前后后还有几十号人跟我咨询讨论,在实验环境一项上就来来回回折腾浪费了很多精力。而到现在,Linux 0.11 Lab 只要 5 分钟就可以搭建,华科的两个大一女生前不久来邮件讨论说添加 System Call 遇到了问题,原来她们很轻松就用 Linux 0.11 Lab 把环境搭建并做起实验来了。这不单单是节约生命,而且大大疏通了 Linux 求学的路途。

Linux 0.11 很适合操作系统基本原理的学习,但是要搞嵌入式开发,搞 Android 智能手机,还得研究最新的主线 Linux。所以一个更便捷的 Linux 实验环境也来得非常迫切。

大约在 2011 年左右,当时有利用业余时间提案并申请 CELF (消费电子 Linux 基金会)的项目,主要是做 Linux 裁剪,其中重中之重,就是 gc-section

当时做 gc-section 的初衷就是要往社区提的,在提交之前,必须有足够充足的测试和验证。当时都已经毕业了,也搞不到那么多开发板做测试,于是用 Qemu 针对 4 个架构都编译了 Linux 内核,创建了 initrd,并写了脚本来做自动化测试、验证和调试。但是这些脚本不够完善,不同架构的支持也是比较零散,所以那时很迫切的一个目标就是整理出一个完整的脚本环境。

可惜地是,之后很长一段时间,工作忙碌起来,那个裁剪项目最终也未能顺利完成,相关项目也还只是停留在自己的代码仓库中(中途有过华为的同学来电咨询过 Patch 移植)。随着 Linux 0.11 Lab 的成功,迫切觉得有必要把之前那些工作成果捡起来,通过 Docker 整合一下,分享给行业,造福更多的同学,也方便大家更容易从事 Linux 方面的学习、工作和研究。

目标和现状

目标是非常清晰,那就是这个环境:

  • 得基于 Qemu,天生要支持一大堆的免费开发板和处理器架构,使得自然而然地获得一个完整的 Linux 开发板仓库,可以方便各种开发、调试与测试。
  • 另外一个是,基于 Docker,可以快速构建和复制这个实验环境,避免一条一条命令反反复复地敲,节约生命。
  • 再一个是选择一个居中规模的 rootfs 构建工具:Buildroot,可以用它灵活构建具有各种工具的小型文件系统,这样就很方便整合自己需要的工具。

有了这几个目标以后,最近两周终于下定决心把之前的脚本环境和进行 gc-section 开发时保留的内核配置文件等充分利用起来,然后快速构建了一个 Linux Lab 框架:

通过两周的迭代,已经完成了 4 个常见架构(ARM、 X86、PowerPC、MIPS),支持从 /dev/ram/dev/nfs 加载 rootfs,支持串口和图形,内建网络支持…… 接下来,在线调试支持和 Android emulator 的支持很快就会到位了。

当然,也热烈欢迎大家提交PR,提交各种新的架构和内核版本等配置。

尝鲜

未来的迭代还会继续,但是已经不妨碍我们尝鲜了,以 Ubuntu 和 Qemu 为例:

下载

$ git clone https://github.com/tinyclub/cloud-lab.git
$ cd cloud-lab && tools/docker/choose linux-lab

安装

$ tools/docker/pull        # Pull from docker hub

$ tools/docker/run	       # 加载镜像,拉起一个 Linux Lab 容器

启动

执行 tools/docker/vnc 后会打开一个 VNC 网页,根据 console 提示输入密码登陆即可,之后打开桌面的 Linux Lab 控制台并执行:

$ make boot

默认会启动一个 versatilepb 的 ARM 板子,要指定一块开发板,可以用:

$ make list                   # 查看支持的列表
$ make BOARD=malta             # 这里选择一块 MIPS 板子:malta
$ make boot

下载更多源码

$ make source -j3             # 同时下载 linux-stable, qemu 和 buildroot

配置

$ make root-defconfig         # 配置根文件系统
$ make kernel-checkout        # 从代码仓库检出特定的内核版本(执行前请确保本地修改有备份)
$ make kernel-defconfig       # 配置内核

$ make root-menuconfig         # 手动配置根文件系统
$ make kernel-menuconfig       # 手动配置内核

编译

$ make root         # 编译根文件系统,稍微有点慢,需要下载带 sysroot 的编译器
$ make kernel       # 编译内核,采用 Ubuntu 和 emdebian.org 提供的交叉编译器

保存所有改动

$ make save         # 保存新的配置和新产生的镜像

$ make kconfig-save # 保存到 boards/BOARD/
$ make rconfig-save

$ make root-save    # 保存到 prebuilt/
$ make kernel-save

启动新的根文件系统和内核

需要打开 boards/BOARD/Makefile 屏蔽已经编译的 KIMAGROOTFS,此时会启动 output/ 目录下刚编译的 rootfs 和内核:

$ vim boards/versatilepb/Makefile
#KIMAGE=$(PREBUILT_KERNEL)/$(XARCH)/$(BOARD)/$(LINUX)/zImage
#ROOTFS=$(PREBUILT_ROOTFS)/$(XARCH)/$(CPU)/rootfs.cpio.gz
$ make boot

启动串口

$ make boot G=0	# 使用组合按键:`CTL+a x` 退出,或者另开控制台执行:`pkill qemu`

选择 Rootfs 设备

$ make boot ROOTDEV=/dev/nfs
$ make boot ROOTDEV=/dev/ram

扩展

通过添加或者修改 boards/BOARD/Makefile,可以灵活配置开发板、内核版本以及 BuildRoot等信息。通过它可以灵活打造自己特定的 Linux 实验环境。

$ cat boards/versatilepb/Makefile
ARCH=arm
XARCH=$(ARCH)
CPU=arm926t
MEM=128M
LINUX=2.6.35
NETDEV=smc91c111
SERIAL=ttyAMA0
ROOTDEV=/dev/nfs
ORIIMG=arch/$(ARCH)/boot/zImage
CCPRE=arm-linux-gnueabi-
KIMAGE=$(PREBUILT_KERNEL)/$(XARCH)/$(BOARD)/$(LINUX)/zImage
ROOTFS=$(PREBUILT_ROOTFS)/$(XARCH)/$(CPU)/rootfs.cpio.gz

默认的内核与Buildroot信息对应为 boards/BOARD/linux_${LINUX}_defconfigboards/BOARD/buildroot_${CPU}_defconfig,如果要添加自己的配置,请注意跟 boards/BOARD/Makefile 里头的 CPU 和 Linux 配置一致。

更多用法

详细的用法这里就不罗嗦了,大家自行查看帮助

$ make help

因为还在火热迭代中,所以部分用法可能会变更,请随时注意 README.md 的变化 ;-)

实验效果图

Linux Lab Demo


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