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¶

请简要解释 Linux 与 Ubuntu、Debian、ArchLinux、Fedora 等之间的关系和区别。
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）
简述树莓派启动的各个阶段。（hint：bootcode.bin、start.elf、cmdline.txt 等的作用）
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？
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？
查阅 PXE 的资料，用自己的话描述它启动的过程。
查阅 GRUB 的资料，用自己的话描述它启动的过程。
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。
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）