Linux开发学习记录(9)：构建嵌入式Linux系统

前言

之前刚开始学习Linux驱动照着教程手动构建嵌入式Linux系统时，发现了很多教程里使用的U-Boot、Linux Kernel、BusyBox 过于老旧，比如正点原子的Linux驱动教程。这导致很多软件难以支持，无法利用很多新特性，于是头铁脱离这些老旧的教程，去网上寻找较新的教程进行手动构建。在这个过程中我收获很多，但也发现手动构建已经是"非物质文化遗产“了，如今有更方便快速的方法对Linux系统进行构建，于是在了解更先进的方法后趁热打铁写下了这篇文章。

手动构建

嵌入式 Linux 系统的构建，通常包括 Bootloader、Linux Kernel、设备树、根文件系统以及最终的镜像打包与烧录等几个部分。理论上，开发者可以分别获取厂商或社区提供的 U-Boot、Linux Kernel 和根文件系统源码，手动完成裁剪、配置、编译、移植与集成，从而搭建出一个能够在目标硬件平台上运行的最小系统。

这种“手动构建”的方式有助于理解嵌入式 Linux 系统从启动到运行的整体链路，例如 Bootloader 如何加载内核、设备树如何描述硬件、内核如何驱动外设，以及根文件系统如何为用户态程序提供运行环境。因此，它在学习和理解系统构成方面仍然具有较高价值。具体流程可参考下面的流程图。

                +------------------------------+
                |      明确目标硬件平台           |
                | SoC/开发板/存储介质/启动方式     |
                +-----------+------------------+
                            |
                            | 准备源码与工具链
                            v
                +------------------------------+
                | 获取交叉编译工具链与源码         |
                | U-Boot / Kernel / BusyBox    |
                | 以及板级补丁和设备树             |
                +---------------+--------------+
                                |
                                | 分别进行裁剪与配置
            ┌-------------------+---------------------------┐
            |                   |                           |
            v                   v                           v
+----------------------+    +----------------------+    +----------------------+
|    配置 U-Boot        |    |    配置 Linux 内核    |    |  配置根文件系统         |
| board config/menu    |    | defconfig/menuconfig |    | BusyBox / init 脚本   |
+----------+-----------+    +----------+-----------+    +----------+-----------+
            |                           |                           |
            | 编译 U-Boot                | 编译内核、dtb、模块         | 安装用户态文件
            v                           v                           v
+----------------------+    +----------------------+    +----------------------+
| 生成 bootloader 镜像  |    | 生成 zImage/Image、    |   | 生成根文件系统目录树     |
| u-boot.bin 等        |    | dtb、modules          |   | /bin /sbin /lib 等    |
+----------+-----------+    +----------+-----------+    +----------+-----------+
            |                           |                           |
            |                           | 安装模块到 rootfs           | 补充运行环境
            |                           +------------+--------------+ 创建设备节点/库/配置
            |                                        |
            |                                        v
            |                          +------------------------------+
            |                          |    完善根文件系统内容           |
            |                          | init / inittab / rcS /       |
            |                          | lib/modules / firmware       |
            |                          +--------------+---------------+
            |                                         |
            |                                         | 选择文件系统格式
            |                                         | ext4 / cpio / squashfs
            |                                         v
            |                          +------------------------------+
            |                          |   生成 rootfs 镜像或归档        |
            |                          | rootfs.ext4 / initramfs.cpio |
            |                          +--------------+---------------+
            |                                         |
            +-------------------+---------------------+
                                |
                                | 整合启动所需文件
                                | bootloader + kernel + dtb + rootfs
                                v
                    +------------------------------+
                    |       打包与部署镜像            |
                    | 烧录 eMMC/SD/NAND/TFTP/NFS    |
                    +--------------+---------------+
                                |
                                | 设置启动参数
                                | bootcmd / bootargs
                                v
                    +------------------------------+
                    |        板卡上电启动             |
                    | U-Boot 加载内核与设备树         |
                    +--------------+---------------+
                                |
                                | 内核启动并挂载根文件系统
                                v
                    +------------------------------+
                    |      用户空间启动 init         |
                    | 驱动、服务、应用开始运行         |
                    +--------------+---------------+
                                |
                +------------------+------------------+
                |                                     |
                | 启动失败/驱动异常                      | 启动成功
                v                                     v
    +------------------------------+      +------------------------------+
    | 串口日志分析并回退修改           |      |   系统进入可用状态              |
    | 调整配置、设备树、驱动、rootfs   |      | 后续进行测试与功能验证           |
    +------------------------------+      +------------------------------+

不过在实际项目开发中，完全手动构建往往不是主流做法。原因在于，现代嵌入式开发通常更加依赖成熟的构建系统和发行方案，例如Buildroot、Yocto，或芯片厂商提供的 SDK。这些工具能够更高效地完成源码管理、依赖处理、补丁集成、镜像生成和版本维护，因此更适合工程化开发。

因此，手动构建在今天更多是一种学习方法，而不是大多数项目中的最终生产方案。本文提及这一过程，主要是为了建立对嵌入式 Linux 系统组成和构建流程的整体认识，具体细节在此不再展开。如果想要了解，可以阅读下面提及的参考文章。

Buildroot

Buildroot 是一个轻量化的工具(相比于下面提到的Yocto来说)，可以帮助我们快速的构建 Bootloader、Linux Kernel 以及 rootfs 并打包。相比于手动构建，使用Buildroot构建一个能用的Linux系统在效率上差的不是一丁半点，十分的明显(不相信的话可以尝试一下手动构建，并移植常用的程序)。

Buildroot 本质上是一个 Makefile脚本集合，熟悉make menuconfig功能即可上手使用，不需要付出太多的学习成本即可掌握。

下载 Buildroot

去Buildroot官网的Download网页下载源码即可，建议下载LTS，也就是 Long-term support 版本。

一般为压缩包格式，比如 tar.gz，使用 tar 命令解压即可。

使用 Buildroot

Buildroot 的一般使用步骤

在 Buildroot 源码的根目录下执行 make menuconfig 即可配置我们最终想要的 Linux 系统。

一般来说，配置并编译的步骤如下：

配置 Target options，配置目标平台架构等内容。
配置 Toolchain，配置交叉编译工具链。
配置 System configuration，配置系统设置。
配置 Filesystem images，配置文件系统镜像。
配置 Linux Kernel 和 Bootloader，一般使用开发板厂家提供的内核与引导程序，所以这一步一般禁止。
配置 Target packages，配置需要移植那些软件包。
编译 buildroot，执行 sudo make 编译出自制的Linux系统所需的所有文件。

最终编译并打包的产物在 output/images/ 目录下，主要关注这么几个文件：

rootfs.tar，解压后即为 buildroot 编译出来的根文件系统，可以通过 nfs 等方式挂载到开发板上。

常用的脚本工具

sudo make show-targets，用于查看当前 buildroot 所有配置了的目标软件包，也就是 packages。

Yocto

#待补充

总结