Vmware根据linux4.19.11打造最小操作系统并启用系统调用（编译环境：kali-4.18）

2018-12-31

这段时间，学校要做操作系统课程设计，任务如下：

1、编写一个新系统调用的响应函数，函数的名称和功能由实验者自行定义。把新的系统调用函数嵌入到Linux内核中

2、编写应用程序以测试新的系统调用并输出测试结果

要实现以上设计任务，就必须要独立编译内核进行测试，然而要编译内核需要一些配置，让我们来看看有哪些配置：

第一步，下载linux内核源码并解压：


wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.19.11.tar.xz
xz -d linux-4.19.11.tar.xz
tar -xvf  linux-4.19.11.tar
cd linux-4.19.11

第二步，安装依赖并运行图形化配置菜单


sudo apt install libncurses5-dev libssl-dev 
sudo apt install build-essential openssl 
sudo apt install zlibc minizip 
sudo apt install libidn11-dev libidn11
sudo apt install bison flex
make menuconfig

中途需要编译一段时间，如果出现问题，可能是因为缺少相关依赖，使用apt安装即可。

第三步，让我们看看图形化配置

注意，第一次进入的界面的配置是根据当前kali系统的配置文件.config自动生成的。这个配置介于命令make allyesconfig和make allnoconfig之间，如果按照这个配置编译，系统内核大约有300M~~400M之间，且编译的时间大概需要6个小时，不利于我们的编译和调试，如果按照make allnoconfig配置，1~~2分钟之间可以编译好，系统内核也只有500k,但很多功能用不了，显然是不切实际的，所以我们要根据自己的需求，不断去除和添加自己想要的功能。最简便的方法是根据当前配置不断地删减功能，直到不能再减小为止（这样的目的是保留系统的verbose报错功能，输出启动日志以便后续调试，如果一开始就make allnoconfig 虽然系统最小，但很多配置不全，不如使用原系统默认配置，然后一项项删减。）。比如启动日志遇到/bin/sh exists but can’t execute,意味着可执行文件执行遇到问题，就需要把excutable file format里面的kernel support for elf binaries启用以及64bit kernel启动，遇到permission denied 就说明可能把自制内核按照在发行版内核同一个分区里导致冲突，因此需要把自制内核安装在另一个分区里。如果遇到can’t udev的问题，说明守护程序udev没有打开或者硬盘驱动没有安装，就需要我们安装相应的硬盘驱动，步骤如下:

键入modinfo mptbase，提示如下信息：


root@kali:/home/kali/linux-4.19.11# modinfo mptbase
filename:       /lib/modules/4.18.0-kali2-amd64/kernel/drivers/message/fusion/mptbase.ko
version:        3.04.20
license:        GPL
description:    Fusion MPT base driver
author:         LSI Corporation
srcversion:     AE14687F5D92F8703B5805F
depends:        
retpoline:      Y
intree:         Y
name:           mptbase
vermagic:       4.18.0-kali2-amd64 SMP mod_unload modversions 
parm:           mpt_msi_enable_spi: Enable MSI Support for SPI controllers (default=0) (int)
parm:           mpt_msi_enable_fc: Enable MSI Support for FC controllers (default=0) (int)
parm:           mpt_msi_enable_sas: Enable MSI Support for SAS controllers (default=0) (int)
parm:           mpt_channel_mapping: Mapping id's to channels (default=0) (int)
parm:           mpt_debug_level: debug level - refer to mptdebug.h - (default=0)
parm:           mpt_fwfault_debug:Enable detection of Firmware fault and halt Firmware on fault - (default=0) (int)

可见硬盘驱动为 Fusion MPT base driver

配置PCI总线驱动,依次选”Bus Option”-“Pci support”:

前面看到我的磁盘是Scsi类型，因此需要配置Scsi，依次选”Device Drivers”-“Scsi device support”–”Scsi device support”,”Scsi disk support”

Scsi磁盘需要Sata控制器，这一步比较关键，要从不同厂商的控制器驱动中挑选出合适的驱动。根据前面udevadm的输出我的虚拟机，使用的是Fusion LSI磁盘驱动：依次选取1)”Device Driver”-“Serial ATA and Parallel ATA driver”-“AHCI SATA support”;2)”Device Driver”-“Fusion MPT device support”-“Fusion MPT ScsiHost driver for SPI”;

3)”Device Driver”-“Scsi device support”-“SCSI low-level drivers”-“LSI MPT Fusion SAS 2.0 Device Driver”

设备驱动配置完毕，需要再配置内核支持的文件系统和ELF文件格式。为了方便起见，我们不设置内核支持initramfs，直接用busybox启动。

选取”File Systems”-“The Extend 4(ext4) filesystem”

选取”Executable file formats”-“kernel support for ELF binaries”

“Kernel support for scripts starting with #!”

其他设置：

[*]64 bit kernel

Processor type and features —>

Processor family () —>

[*] Generuc x86 support

Bus options (PCI etc.) —>

[*] PCI support

PCI access mode (Any) —>

Executable file formats / Emulations —>

[*] Kernel support for ELF binaries

[*] Write ELF core dumps with partial segments

[*] Enable the block layer #这步很重要，不然无法启用SCSI

Device Drivers —>

[*] Block devices —>

<*> Loopback device support

SCSI device support —>

<*> SCSI device support

[*] legacy /proc/scsi/ support (NEW)

<*> SCSI disk support

input device support—>

[*]Generic input interface

[*]event interface

[*]event debugging

*Input Device Drivers

[*]keyboards—–>

[*]AT keyboard

[*]……keyboard #键盘驱动可以都选上

Hardware I/O Ports—>

[*]Serial I/O support

…… #这里可以全选

[*]character devices —>

[*]enable tty

[*] Fusion MPT device support —>

<*> Fusion MPT ScsiHost drivers for SPI

<*> Fusion MPT ScsiHost drivers for FC

<*> Fusion MPT ScsiHost drivers for SAS

<*> Fusion MPT misc device (ioctl) driver

File systems —>

[*] The extended 4(ext4) filesystem

[*] Use ext4 for ext2 filesystem

[*] Ext4 POSIX Access Control Lists

[*] Ext4 Security Labels

[*] Ext4 Encryption

设置完成后，选择save，命名为‘.config’, 然后选择exit退出。

第四步、在原系统编译内核

时间不长，大概五六分钟（前提是你精简过），系统编译完大概有2M大小

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make clean
make bzImage -j4

第六步、添加硬盘并分区

在vmware里面添加一块大概500MB的SCSI硬盘，重启后执行

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fdisk -l

可以看到/dev/sdb装置

进一步分区

1 2	fdisk /dev/sdb

输入n后分区形成/dev/sdb1

格式化

1 2	mkfs -t ext4 /dev/sdb1

挂载分区

1 2	mount /dev/sdb1 /mnt

编译busybox


wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.29.3.tar.bz2
tar xvf busybox-1.29.3.tar.bz2
cd busybox-1.29.3
make menuconfig

下面是需要编译进busybox的功能选项。

General Configuration应该选的选项

Don’t use /usr

这个选项一定要选,否则make install 后busybox将安装在原系统的/usr下，这将覆盖掉系统原有的命令。

Build Options

Build BusyBox as a static binary (no shared libs)

这个选项也是一定要选择的,这样才能把busybox编译成静态链接的可执行文件，运行时才独立于其他函数库.否则必需要其他库文件才能运行，在单一个linux内核不能使它正常工作。

其它选项都是一些linux基本命令选项，自己需要哪些命令就编译进去，一般用默认的就可以了，配置好后退出并保存。

编译并安装busybox

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make
make install

make install后会在busybox目录下生成一个叫_install的目录，里面有busybox和指向它的链接。


cp _install/* /mnt/           # 将_install下的文件全复制到sdb1  
rm -f /mnt/linuxrc  
cp -r ./examples/bootfloppy/etc /mnt       #将etc下的配置文件拷到sdb1下  
cd /mnt/  
mkdir proc mnt usr var tmp dev sys         #创建目录  
cp -a /dev/{console,tty,tty2} dev/    #将原系统的设备文件复制到自制系统
mkdir dev/input
cp -r /dev/input/* dev/input/
cp /root/linux-4.19.11/arch/x86/boot/bzImage /mnt/bzImage #复制内核

第七步、更新grub

打开grub配置文件

1 2	vi /etc/grub.d/40_custom #不同的系统前面的序号可能不一样

在末尾添加如下信息


menuentry "My Linux-4.19.11" {

insmod ext2 #ext2包括了ext3、ext4

set root='(hd1,1)'

linux /bzImage ro root=/dev/sdb1

}

更新grub

1 2	update-grub

重启系统，在grub菜单选择My Linux-4.19.11如果看到类似以下界面说明编译成功

第八步、添加系统调用

回到原系统，更改linux源码以下文件：

1 2	vi /root/linux-4.19.11/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl

添加如下两个系统调用，注意这两种系统调用的形式不太一样，主要是为了传参，后面会讲到。

修改头文件，添加如下两个函数原型

1 2	vi /root/linux-4.19.11/include/linux/syscall.h

修改sys.c源文件，添加如下函数定义

1 2	vi /root/linux-4.19.11/kernel/sys.c


long sys_hello(void)
{
printk("hello world");
return 1;
}
SYSCALL_DEFINE2(add,int,a,int,b)
{
printk("a:%d \n",a);
printk("b:%d \n",b);
printk("a+b:%d \n",a+b);
return a+b;
}

注意以上函数定义是不一样的，前者是直接定义，后者是通过宏来定义，之后sys_add会被编译器自动替换为__x64_sys_add目的是为了让系统调用实现传参，相当于一个接口。SYSCALL_DEFINE2意思是有两个参数，int a，int b。

之后重新编译内核并复制到新硬盘。

第九步、编写测试程序

目的是为了手动实现系统调用，使用gcc编译好并输出为test1 文件


#include<stdio.h>
#include<linux/kernel.h>
#include<sys/syscall.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
	long int amma;
	if(argc==4)amma=syscall(atoi(argv[1]),atoi(argv[2]),atoi(argv[3]));
	else amma=syscall(atoi(argv[1]));
	printf("System call %d return %ld\n",atoi(argv[1]),amma);
	return 0;
}

复制test1到新硬盘

1 2	cp test1 /mnt/bin/test1

目前在新系统里执行test1是不行的，所以需要分析test1的文件类型

1 2	string test1

由输出信息可见，执行该文件需要The GNU C Library的部分库，所以要从原系统复制过去

The GNU C Library


mkdir /mnt/lib/x86_64-linux-gnu
mkdir /mnt/lib64
cp -a /lib/x86_64-linux-gnu/{libc.so.6,ld-2.28.so,libc-2.28.so} /mnt/lib/x86_64-linux-gnu/ 
cp /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 /lib64/

注意除了两个.so结尾的文件，其余复制过去的都是软连接，软连接指向那两个文件，如果软连接发生故障可以用ln -s 修复。

重启进入自制系统，如果测试成功，会有如下结果：