news 2026/1/16 10:51:24

ARM平台Linux内核移植实战案例详解

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张小明

前端开发工程师

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ARM平台Linux内核移植实战案例详解

从零开始：在ARM开发板上点亮Linux内核的实战手记

你有没有过这样的经历？手里的ARM开发板通电后，串口终端只留下一行“Uncompressing Linux… done, booting the kernel.”，然后就彻底沉默了。

那一刻，你盯着屏幕，心里发慌——到底卡在哪一步？是设备树写错了？还是U-Boot加载地址不对？亦或是内核根本没有找到根文件系统？

别急。这正是每一个嵌入式工程师都会踩的坑。今天，我就带你亲手走一遍ARM平台Linux内核移植的完整流程，不讲空话，只说实战中真正有用的东西。

我们不会堆砌术语，而是像两个工程师坐在一起调试那样，一步步拆解问题、配置代码、解决问题。目标只有一个：让那块冷冰冰的开发板，跑起属于你的第一个Linux系统。

为什么非得自己移植内核？不能直接用现成的吗？

很多人会问：“我买开发板不是都带系统镜像了吗？干嘛还要自己编译内核？”

答案很简单：因为产品永远和开发板不一样。

厂商提供的镜像是为“标准参考设计”准备的，而你的项目可能：

  • 换了不同的Flash芯片；
  • 增加了一个SPI传感器；
  • 使用的是定制的DDR时序；
  • 要求更小的内存占用以降低成本。

这些变化，意味着你必须能掌控从Bootloader到内核再到设备树的每一个环节。否则一旦出问题，你就只能靠猜，或者等原厂技术支持——而他们往往也不会为你定制硬件背锅。

所以，掌握内核移植，不是为了炫技，是为了把命运攥在自己手里。

先搞清楚：我们到底在跟谁打交道？

在动手之前，得先理清整个启动链条上的四个关键角色：

  1. 硬件（SoC）：比如NXP的i.MX6ULL，这是所有工作的物理基础。
  2. U-Boot：第一段运行的软件，负责初始化DDR、读取内核和设备树。
  3. 设备树（Device Tree）：一份描述“这块板子有什么外设”的数据文件。
  4. Linux内核：真正的操作系统核心，但它需要前面三者把它“扶上马”。

它们之间的关系就像一场接力赛：

硬件上电 → ROM Code拉起SPL → SPL加载U-Boot → U-Boot加载kernel + dtb → kernel解析dtb并启动系统

任何一棒掉链子，比赛就终止。

接下来，我们就按这个顺序，逐个击破。

第一步：选对工具链，不然一切归零

交叉编译是嵌入式的起点。如果你用x86的gcc去编译ARM代码，结果就是一堆无法执行的二进制垃圾。

对于基于ARMv7-A架构的处理器（如Cortex-A7/A9），你应该使用：

arm-linux-gnueabihf-

这是GNUEABI硬浮点版本，适用于绝大多数现代ARM Linux系统。

如何验证是否装好？

arm-linux-gnueabihf-gcc --version

如果输出类似gcc version 9.4.0 (Buildroot 2022.02)，说明环境OK。

💡 小贴士：推荐使用Buildroot或Docker容器统一构建环境，避免“我本地能编，CI不行”的尴尬。

第二步：拿到内核源码，别急着改

去 kernel.org 下载一个LTS版本，比如linux-5.15.y，这是目前工业领域最稳定的长期支持分支之一。

解压后进入目录：

tar xzf linux-5.15.119.tar.gz cd linux-5.15.119

现在别急着敲make menuconfig。先问问自己：我要支持什么平台？

以i.MX6ULL为例，它是NXP的产品，对应架构路径是arch/arm/，机器名为imx6ul。

查看是否有现成的默认配置：

ls arch/arm/configs/*imx* # 输出可能包含 mx6_defconfig 或 mx6ull_14x14_evk_defconfig

有！那就直接拿来用：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- mx6ull_14x14_evk_defconfig

这条命令做了什么？

  • ARCH=arm：告诉Kbuild我们要编的是ARM架构；
  • CROSS_COMPILE=...：指定交叉编译前缀；
  • xxx_defconfig：生成.config文件，作为后续编译的基础。

此时你可以执行：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

进入图形界面，开启你需要的驱动，比如：

  • Device Drivers → SPI Support → [*] MXC SPI controller
  • Device Drivers → GPIO → [*] IMX GPIO support
  • File systems → <*> The Extended 4 (ext4) filesystem

但记住一句话：第一次移植，尽量少改配置，先让系统起来再说。

第三步：设备树才是成败的关键

很多人以为内核最难调，其实真让你卡住的，往往是那一份.dts文件。

设备树的本质是什么？

它是一张“硬件地图”。内核不知道你的板子上有几个UART、接在哪个地址、用了哪个中断号。只有通过设备树，它才能按图索骥，正确初始化每一个外设。

结构长这样：

/ { model = "Freescale i.MX6ULL 14x14 EVK"; compatible = "fsl,imx6ull-14x14-evk", "fsl,imx6ull"; chosen { bootargs = "console=ttyAMA0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootwait rw"; }; memory@80000000 { device_type = "memory"; reg = <0x80000000 0x20000000>; /* 512MB */ }; soc { ... }; };

注意这里的chosen节点——它定义了bootargs，也就是内核启动参数。这部分可以由U-Boot覆盖，但如果没设置，就会用这里的值。

再看一个SPI控制器的例子：

&ecspi1 { fsl,spi-num-chipselects = <1>; status = "okay"; ads7846@0 { compatible = "ti,ads7846"; reg = <0>; spi-max-frequency = <1000000>; interrupt-parent = <&gpio1>; interrupts = <18 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>; pendown-gpio = <&gpio1 18 GPIO_ACTIVE_LOW>; }; };

这里我们启用了ECSPI1，并挂载了一个触摸屏芯片ADS7846。关键是status = "okay"—— 默认很多外设都是"disabled"，你不打开它，驱动就不会被加载。

编译设备树：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- imx6ull-14x14-evk.dtb

输出文件arch/arm/boot/dts/imx6ull-14x14-evk.dtb就是你需要烧录的那一份。

第四步：U-Boot怎么把控制权交出去？

U-Boot的任务很明确：把内核和dtb放进内存，然后跳转执行。

但具体怎么做？有两个关键命令：

  • bootm：用于传统zImage + ATAGs方式；
  • booti：用于Image（或zImage）+ 设备树方式，推荐使用。

假设你的内存布局如下：

地址内容
0x80800000内核镜像
0x83000000设备树二进制

那么U-Boot中的启动脚本应该是：

setenv loadaddr 0x80800000 setenv fdt_addr 0x83000000 setenv bootargs 'console=ttyAMA0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootwait rw' mmc dev 0 mmc read ${loadaddr} 0x800 0x1000 # 读取内核（约8MB） mmc read ${fdt_addr} 0x4000 0x200 # 读取dtb booti ${loadaddr} - ${fdt_addr}

解释一下最后这行：

  • ${loadaddr}：内核入口地址；
  • -：表示没有initrd；
  • ${fdt_addr}：设备树地址。

U-Boot会把这些信息传给内核。如果失败，你会看到：

Kernel image not found at expected load address

这时候就要检查：是不是SD卡扇区偏移写错了？是不是镜像根本没写进去？

常见坑点与调试秘籍

❌ 卡在 “booting the kernel.”

现象：解压完成，但再也看不到任何输出。

原因分析：
- 内核加载地址错误；
- 内核链接地址与实际运行地址不符；
- MMU未正确关闭或页表错乱。

解决方法：
1. 查看.config中的配置项：

grep CONFIG_PHYS_OFFSET .config # 应该是 CONFIG_PHYS_OFFSET=0x80000000
  1. 确保U-Boot加载地址与此一致；
  2. 使用JTAG连接，观察PC寄存器是否跳到了正确的入口（通常是0x80008000）；
  3. 启用earlyprintk参数，尽早打印日志。

❌ 提示 “No console will be available”

虽然内核已经开始运行，但找不到控制台输出。

常见原因：
-bootargs中的console=写错了；
- 实际串口设备名不符（例如应为ttymxc0却写了ttyS0）；
- 串口驱动未内置，而是作为模块加载（太晚了）。

解决方案：
1. 查阅设备树中串口节点名称：

serial@021f0000 { compatible = "fsl,imx6ul-uart", "fsl,imx6q-uart"; reg = <0x021f0000 0x1000>; ... };

对应主设备号为ttymxc0，所以bootargs必须写成：

console=ttymxc0,115200

而不是ttyS0或ttyAMA0。

❌ 根文件系统挂载失败

提示：VFS: Cannot open root device "(null)" or unknown-block(0,0)

这意味着内核不知道该从哪加载根文件系统。

排查步骤：
1. 检查bootargs中root=是否正确：

root=/dev/mmcblk0p2 # SD卡第二分区 root=/dev/mtdblock2 # NAND Flash root=/dev/nfs # NFS挂载
  1. 添加rootwait等待MMC设备初始化完成；
  2. 确认内核已启用EXT4支持：
File systems ---> <*> The Extended 4 (ext4) fs
  1. 如果使用NFS，还需添加网络驱动和TCP/IP协议栈支持。

如何高效迭代？别每次都烧卡！

每次修改都要重新烧写SD卡？效率太低。

推荐三种加速方式：

✅ 方式一：TFTP + NFS 双飞模式

  • TFTP加载内核和dtb；
  • NFS挂载根文件系统。

U-Boot设置：

setenv serverip 192.168.1.100 setenv ipaddr 192.168.1.10 setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.100:/export/rootfs,tcp,v3 rw' tftpboot 0x80800000 zImage tftpboot 0x83000000 imx6ull-14x14-evk.dtb booti 0x80800000 - 0x83000000

改完代码，主机端重新编译，重启开发板即可测试，无需动卡片。

✅ 方式二：使用 Buildroot 自动生成完整工具链

Buildroot 不仅能生成rootfs，还能帮你同步编译U-Boot和Linux内核，保持版本一致性。

配置示例：

make menuconfig # Target options ---> Target Architecture (ARM (little endian)) # Toolchain ---> Toolchain type (External toolchain) # Kernel ---> Linux Kernel (y) # ---> Defconfig name (imx_v6_v7) # System configuration ---> Root password

一键生成output/images/zImage,rpi3.dtb,sdcard.img，极大提升集成效率。

✅ 方式三：保留串口+启用KGDB，远程调试内核

在.config中启用：

CONFIG_KGDB=y CONFIG_KGDB_SERIAL_CONSOLE=y

启动参数加上kgdboc=ttyAMA0,115200，就可以用另一台电脑通过GDB连接调试内核：

arm-linux-gnueabihf-gdb vmlinux (gdb) target remote /dev/ttyUSB1 (gdb) continue

遇到panic时，可以直接查看调用栈，定位问题函数。

最后一点思考：设备树真的是银弹吗？

当年引入设备树，是为了摆脱“每个板子都要重新编译内核”的窘境。听起来很美好，但实际上也带来了新的复杂性。

比如：

  • 多个.dtsi包含关系混乱；
  • phandle引用错误导致DMA失效；
  • compatible匹配不到驱动，设备无法注册。

所以我想说：设备树是利器，但也是双刃剑。它提升了灵活性，但也要求开发者更深入理解硬件拓扑。

未来会不会有更好的方案？比如用YAML描述硬件，自动生成设备树？或者像Zephyr那样用Devicetree Overlay动态加载？这些都是值得期待的方向。

但至少现在，在ARM Linux世界里，懂设备树，就是懂系统的命脉。

结语：当你第一次看到 shell 提示符时

当屏幕上终于出现：

Starting kernel ... [ 0.000000] Booting Linux on physical CPU 0x0 ... Debian GNU/Linux 11 imx6ull ttyAMA0 imx6ull login:

你会明白，这一路走来，每一行代码、每一次重试、每一个深夜的串口日志，都没有白费。

这不是简单的“跑起来”，而是你真正掌握了从硅片到操作系统的全链路能力。

而这，正是嵌入式工程的魅力所在。

如果你在移植过程中遇到了其他挑战，欢迎在评论区分享，我们一起攻克。

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