4. 内核编译与启动：从源码到QEMU跑起来

说实话，很多做驱动的朋友，卡在第一关的不是驱动怎么写，而是——编译出来的内核根本起不来。我自己带团队时，新人最常问的就是：“我改了设备树，为什么系统不认我的外设？”

这一章，我们就亲手走一遍完整流程：编译内核、编译设备树、制作根文件系统，最后用QEMU把整个系统跑起来。你跟着做一遍，后面写驱动时心里就有底了。

4.1 编译内核：选对配置，少走弯路

内核编译本身不复杂，但配置选错了，后面全是坑。我个人习惯用 defconfig 起步，再按需裁剪。

4.1.1 获取源码与配置

# 以 Linux 5.10 LTS 为例
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.10.210.tar.xz
tar -xf linux-5.10.210.tar.xz
cd linux-5.10.210

# 生成默认配置（ARM64 架构）
make ARCH=arm64 defconfig

# 或者基于当前系统配置微调
make ARCH=arm64 menuconfig

4.1.2 关键配置项

4.1.3 编译命令

# 编译内核镜像
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- -j$(nproc) Image

# 编译设备树
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- -j$(nproc) dtbs

# 编译内核模块（可选）
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- -j$(nproc) modules

编译完成后，你会得到两个关键产物：arch/arm64/boot/Image 和 arch/arm64/boot/dts/ 下的 .dtb 文件。

4.2 设备树编译：把硬件描述交给内核

设备树（Device Tree）是内核了解硬件的“说明书”。你想想看，如果没有它，内核怎么知道你的板子上有哪些外设、它们挂在哪个地址上？

4.2.1 设备树源文件（.dts）结构

/dts-v1/;

/ {
    model = "QEMU ARM64 Virt Machine";
    compatible = "qemu,virt";

    #address-cells = <2>;
    #size-cells = <2>;

    memory@40000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x0 0x40000000 0x0 0x80000000>;
    };

    uart@9000000 {
        compatible = "ns16550a";
        reg = <0x0 0x9000000 0x0 0x1000>;
        interrupts = <0x1>;
        interrupt-parent = <&gic>;
    };

    gic: interrupt-controller@8000000 {
        compatible = "arm,gic-v3";
        reg = <0x0 0x8000000 0x0 0x10000>;
        interrupt-controller;
        #interrupt-cells = <3>;
    };
};

这里的关键点：compatible 是内核匹配驱动的“身份证”，reg 描述地址和大小，interrupts 告诉内核中断号。

4.2.2 编译与反编译

# 编译 .dts 为 .dtb
dtc -I dts -O dtb -o qemu-virt.dtb qemu-virt.dts

# 反编译 .dtb 查看内容
dtc -I dtb -O dts -o qemu-virt.dts qemu-virt.dtb

4.3 制作根文件系统：让内核有“家”可归

内核启动后，需要挂载根文件系统才能执行用户态程序。最简单的做法是用 BusyBox 制作一个最小根文件系统。

4.3.1 使用 BusyBox 构建

# 下载并配置 BusyBox
wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.36.1.tar.bz2
tar -xf busybox-1.36.1.tar.bz2
cd busybox-1.36.1
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- defconfig
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- -j$(nproc)
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- install

4.3.2 构建目录结构

mkdir -p rootfs/{bin,sbin,etc,dev,proc,sys,usr/{bin,sbin},lib,lib64,mnt,root,tmp,var}
cp -a _install/* rootfs/

# 创建必要的设备节点
sudo mknod rootfs/dev/console c 5 1
sudo mknod rootfs/dev/null c 1 3

# 创建 init 脚本
cat << 'EOF' > rootfs/init
#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t devtmpfs none /dev
echo "Welcome to Minimal Rootfs!"
exec /bin/sh
EOF
chmod +x rootfs/init

4.3.3 打包为 initramfs

cd rootfs
find . | cpio -o -H newc | gzip > ../initramfs.cpio.gz

这个 initramfs.cpio.gz 就是内核启动时直接加载到内存的根文件系统。不需要磁盘，非常适合 QEMU 快速验证。

4.4 QEMU 模拟启动：验证你的劳动成果

所有材料都准备好了，现在用 QEMU 把它们串起来。

4.4.1 启动命令

qemu-system-aarch64 \
    -machine virt \
    -cpu cortex-a57 \
    -m 2G \
    -kernel linux-5.10.210/arch/arm64/boot/Image \
    -dtb qemu-virt.dtb \
    -initrd initramfs.cpio.gz \
    -nographic \
    -append "console=ttyAMA0 root=/dev/ram rdinit=/init"

参数说明：

• -machine virt：QEMU 的 ARM64 虚拟平台
• -kernel：指定内核镜像
• -dtb：指定设备树
• -initrd：指定 initramfs
• -nographic：不使用图形界面，用终端交互
• -append：传递给内核的启动参数

4.4.2 启动日志解读

启动后你会看到内核打印大量信息。重点关注这几行：

[    0.000000] Booting Linux on physical CPU 0x0000000000 [0x410fd051]
[    0.000000] Machine model: QEMU ARM64 Virt Machine
[    0.123456] Serial: 8250/16550 driver, 4 ports, IRQ sharing enabled
[    0.234567] Freeing initrd memory: 4096K
[    0.345678] VFS: Mounted root (ramfs filesystem) on device 0:15
[    0.456789] Freeing unused kernel memory: 1024K
[    0.567890] Run /init as init process
Welcome to Minimal Rootfs!
/ #

看到 / # 提示符，说明系统启动成功了！你现在就在一个完整的 Linux 环境里，可以加载驱动模块、调试设备。

4.5 本章知识体系

下面这张图帮你理清整个流程的依赖关系：

4.6 本章小结

我们走完了从源码到启动的完整链路：

• 编译内核：配置、裁剪、交叉编译，得到 Image
• 编译设备树：写 .dts、用 dtc 生成 .dtb，描述硬件布局
• 制作根文件系统：BusyBox 构建、目录结构、打包 initramfs
• QEMU 启动：一条命令把三样东西组合起来，验证系统是否正常

这套流程我用了很多年。每次拿到一个新板子，第一件事就是跑通这个最小系统。只有基础环境稳了，后面写驱动才敢放手去干。