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Lab 1

实验内容

  • 了解树莓派的启动原理和过程
  • 编译适用于树莓派的内核
  • 构建初始内存盘
  • 裁剪内核并在 QEMU 或树莓派中测试
  • 了解 BIOS Boot 的基本流程和实现方案

实验要求

提醒：编译一次内核的时间可能较久，建议合理安排时间，不要当 ddl 人。

准备工作

  • Linux 环境和基本使用
  • 使用 git 管理自己的实验目录
  • 创建 GitHub 私有仓库并提交
  • 了解树莓派启动的基本过程

推荐先阅读 lab0 内容（Rust 相关可以暂缓）。

目录结构

.                         // Git 根目录
├── lab1                  // 实验一根目录
│   ├── docs              // 实验一实验报告根目录
│   │   └── *.md          // 文件名自拟，可以写在一个或多个 Markdown 文件中
│   ├── linux
│   │   ├── Image         // 内核文件
│   │   ├── initrd.cpio.gz// 初始内存盘压缩文件
│   │   ├── .config       // 内核编译配置文件
|   |   └── src
|   |       └── init.c    // 如果 init 是 binary，在此处提交源码
│   └── boot
│       └── bootloader.img// 可启动的 bootloader 镜像
├── .gitignore            // 使用此文件忽略你不想提交的文件
└── README.md             // 写入姓名学号

评分标准

本次实验共 10 分:

  • Git & GitHub 仓库:
    • 在 GitHub 上创建个人私有仓库 OSH-2021-Labs，并邀请 OSH-2021-TA 加为协作者。
    • 正确使用 git：没有通过 GitHub 网页版大量上传文件；合理进行版本管理，不要在一两个 commit 中提交所有文件；commit message 具有一定可读性；符合目录结构要求.（0.5 分）
  • Linux 内核:
    • 正确编译出适用于树莓派的内核（1 分）
    • 内核裁剪过，并且大小不超过 10 MiB，并且它可以完成以下「初始内存盘」中的全部任务，如果你没有完成「初始内存盘」中的全部任务，助教会使用自己的 initrd.cpio.gz 文件进行测试）（1 分）
    • 在上一条的基础上，裁剪得到的内核大小不超过 6 MiB（0.5 分）
  • 初始内存盘:
    • 正确构建了 initrd.cpio.gz 文件。（0.5 分）
    • 使用你编译的内核和 initrd.cpio.gz，其中的 /init 能够成功依次执行助教提供的程序 1（0.5 分）
    • 使用你编译的内核和 initrd.cpio.gz，其中的 /init 能够成功依次执行助教提供的程序 1、2、3，程序 3 执行完成后不出现内核恐慌（Kernel Panic）（1 分）
  • 初识 Boot:
    • 正确构建了能够启动的 bootloader.img 文件（1 分）
    • 从第一组问题中选择两个进行回答（1 分）
    • 从第二组问题中选择一个进行回答（1 分）
  • 思考题:
    • 在下面给出的思考题中任选 4 道并完成它们（2 分）

思考题

  1. 请简要解释 Linux 与 Ubuntu、Debian、ArchLinux、Fedora 等之间的关系和区别。
  2. 树莓派官方编译内核的文档 中提到 install the kernel modules onto the SD card，完成本实验是否需要这么做？及为什么？对内核裁剪有什么指导意义？（hint：menuconfig 中标 [M] 的选项；modules 在启动过程中的作用，和 init 的关系）
  3. 简述树莓派启动的各个阶段。（hint：bootcode.bin、start.elf、cmdline.txt 等的作用）
  4. 在树莓派启动阶段使用串口观察输出需要哪些条件？为什么实验用树莓派上通过 GPIO 使用的串口是 miniUART？
  5. 为什么在 x86 环境下装了 qemu-user 之后可以直接运行 arm64 的 busybox，其中的具体执行过程是怎样的？qemu-user 和 qemu-system 的主要区别是什么？
  6. 查阅 PXE 的资料，用自己的话描述它启动的过程。
  7. 查阅 GRUB 的资料，用自己的话描述它启动的过程。
  8. 说明 UEFI Boot 的流程，截图指出你的某一个系统的 EFI 分区中包含哪些文件。
  9. 为什么现在手机、树莓派等家用 arm 设备不像通用 PC 一样使用 UEFI 启动？（RPI4 UEFI 是一个试验性质的树莓派 UEFI 固件）