树莓派镜像替换内核

1. 为什么要替换内核

树莓派官方提供的镜像中，自带的内核版本为6.6.31
然而github上提供的内核源码为6.6.40,有些微差别
此外，后续很有可能进行内核裁剪定制，替换内核是一个无法绕开的工作

2. 获取内核源码

github地址：

https://github.com/raspberrypi/linux
选择使用6.6.y版本的内核
将其拷贝到ubuntu中
解压
```
$ unzip linux-rpi-6.6.y.zip
```
进入内核源码目录
```
$ cd linux-rpi-6.6.y
```

3. 获取交叉编译工具链

我所选用树莓派镜像中的gcc版本为12.2.0
为了避免出现glibc版本不一致的问题，同样使用12.2.0版本的交叉编译工具链
下载地址：

https://developer.arm.com/downloads/-/arm-gnu-toolchain-downloads

4. 内核编译

修改顶层Makefile,指定目标平台ARCH和交叉编译工具链CROSS_COMPILE
树莓派CM4使用的时博通BCM2711的方案，因此使用bcm2711_defconfig生成默认配置文件
```
linux-rpi-6.6.y$ make bcm2711_defconfig
```
menuconfig配置
```
linux-rpi-6.6.y$ make menuconfig
```
在这里我需要将LAN78XX驱动直接编译进内核，不作为外部模块
开始编译,内核镜像/驱动模块/设备树都需要编译,使用-j$(nproc)全核编译，加快编译速度
```
linux-rpi-6.6.y$ make Image modules dtbs -j$(nproc)
```

5. 挂载树莓派镜像到Ubuntu

选择使用使用树莓派最新的镜像Raspberry Pi OS Lite，镜像下载地址

https://downloads.raspberrypi.com/raspios_lite_arm64/images/raspios_lite_arm64-2024-07-04/2024-07-04-raspios-bookworm-arm64-lite.img.xz

解压，得到*.img的镜像文件

挂载镜像到Ubuntu

# .img镜像
jun@ubuntu:$ ls
2024-07-04-raspios-bookworm-arm64-lite.img

# 查看第一个未使用的回环设备
jun@ubuntu:$ losetup -f
/dev/loop0

# 将.img镜像关联到回环设备
jun@ubuntu:$ sudo losetup /dev/loop0 2024-07-04-raspios-bookworm-arm64-lite.img 
[sudo] password for jun:

# 查看分区，检测到两个区，其中较小的是系统分区，较大的是根文件系统
jun@ubuntu:$ sudo kpartx -av /dev/loop0
add map loop0p1 (253:0): 0 1048576 linear 7:0 8192
add map loop0p2 (253:1): 0 4481024 linear 7:0 1056768

# 创建系统分区挂载目录
jun@ubuntu:$ mkdir boot

# 创建根文件系统挂载目录
jun@ubuntu:$ mkdir rootfs

# 挂载系统分区
jun@ubuntu:$ sudo mount /dev/mapper/loop0p1 ./boot/

# 挂载根文件系统
jun@ubuntu:$ sudo mount /dev/mapper/loop0p2 ./rootfs/

# 查看系统分区
jun@ubuntu:$ ls ./boot/
bcm2710-rpi-2-b.dtb       bcm2710-rpi-zero-2-w.dtb  bcm2711-rpi-cm4s.dtb       bootcode.bin  fixup4db.dat  fixup_x.dat      kernel8.img       start4.elf    start_x.elf
bcm2710-rpi-3-b.dtb       bcm2711-rpi-400.dtb       bcm2712d0-rpi-5-b.dtb      cmdline.txt   fixup4x.dat   initramfs_2712   LICENCE.broadcom  start4x.elf
bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb  bcm2711-rpi-4-b.dtb       bcm2712-rpi-5-b.dtb        config.txt    fixup_cd.dat  initramfs8       overlays          start_cd.elf
bcm2710-rpi-cm3.dtb       bcm2711-rpi-cm4.dtb       bcm2712-rpi-cm5-cm4io.dtb  fixup4cd.dat  fixup.dat     issue.txt        start4cd.elf      start_db.elf
bcm2710-rpi-zero-2.dtb    bcm2711-rpi-cm4-io.dtb    bcm2712-rpi-cm5-cm5io.dtb  fixup4.dat    fixup_db.dat  kernel_2712.img  start4db.elf      start.elf

# 查看根文件系统
jun@ubuntu:$ ls ./rootfs/
bin  boot  dev  etc  home  lib  lost+found  media  mnt  opt  proc  root  run  sbin  srv  sys  tmp  usr  var

6. 安装新内核

安装内核模块到根文件系统

linux-rpi-6.6.y$ sudo env PATH=$PATH make INSTALL_MOD_PATH=../rootfs modules_install

安装头文件到根文件系统的usr目录

linux-rpi-6.6.y$ sudo make headers_install INSTALL_HDR_PATH=../rootfs/usr/

安装Image到挂载的boot分区

linux-rpi-6.6.y$ sudo cp arch/arm64/boot/Image ../boot/kernel8.img

安装设备树文件

linux-rpi-6.6.y$ sudo cp arch/arm64/boot/dts/broadcom/*.dtb ../boot/
linux-rpi-6.6.y$ sudo cp arch/arm64/boot/dts/overlays/*.dtb* ../boot/overlays/

替换version.h

linux-rpi-6.6.y$ sudo cp include/generated/uapi/linux/version.h ../rootfs/usr/include/linux/version.h

7. 解决内核模块无法加载的问题

进入rootfs根文件系统中的驱动存放目录

linux-rpi-6.6.y$ cd ./rootfs/lib/modules/6.6.40-v8/

查找.ko文件，发现没有任何内核模块
```
6.6.40-v8$ find . -name *ko
```
检查发现，该目录下有很多.ko.xz文件，原因是make module_install命令执行时，自动将.ko文件进行了压缩，但是这样会导致内核启动时无法加载模块，需要将压缩的.ko文件进行解压

编写脚本modules_install.sh用来在系统第一次开机时生成modules.dep文件，将该脚本存放在rootfs/lib/modules/6.6.40-v8/目录下,脚本内容如下

#!/bin/bash

# modules path
MODULES_PATH=/lib/modules/$(uname -r)

# 解压*.ko.xz文件
module_decompress()
{
        MODULES_XZ_FILES=`find ${MODULES_PATH} -name *ko.xz`

        for MODULE in ${MODULES_XZ_FILES}
        do
                set -x
                xz -dk ${MODULE}
                set +x
        done
        
        return 0
}

RET=$(cat ${MODULES_PATH}/modules.dep)
if [ -z "${RET}" ]; then
        
    # modules decompress
    module_decompress
    
    # generate modules.dep
    depmod
        
    # make sure this script executed only once
    SCRIPT_NAME=$(basename $0)
    sed -i "/$SCRIPT_NAME/d" /etc/rc.local
		
    # reboot
    reboot
else
        echo "modules already installed!"
fi

exit 0

给脚本以可执行权限

6.6.40-v8$ sudo chmod 777 modules_install.sh

在根文件系统下的etc/rc.local中添加如下内容,使module_install.sh脚本开机自启动
```
# modules_install
/bin/bash /lib/modules/$(uname -r)/modules_install.sh &
```

8. 选择内核

修改boot分区下的config.txt,选择使用新的内核
```
$ sudo vi ./boot/config.txt
```
在config.txt末尾添加如下内容
```
kernel=kernel8.img
```

9. 取消镜像挂载

取消5. 挂载树莓派镜像到Ubuntu的镜像挂载

jun@ubuntu:$ ls
2024-07-04-raspios-bookworm-arm64-lite.img  boot  rootfs
jun@ubuntu:$ sudo umount ./boot 
jun@ubuntu:$ sudo umount ./rootfs
jun@ubuntu:$ sudo losetup -d /dev/loop0

10. 镜像烧录

参考之前的文章：树莓派CM4(一):镜像烧录

11. 查看内核是否替换成功

开机，首次开机时系统会自动重启两次，属正常现象
进入系统后查看内核版本,内核版本6.6.40,替换成功

  # uname -a
  Linux IG-210 6.6.40-v8 #2 SMP PREEMPT Tue Aug 27 14:04:24 CST 2024 aarch64 GNU/Linux

树莓派CM4(四)：树莓派镜像替换内核