ubuntu20下编译linux1.0 (part1)

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author: hjjdebug
date: 2025年 01月 09日 星期四 15:56:15 CST
description: ubuntu20下编译linux1.0 (part1)

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该博客记录了新gcc编译旧代码可能碰到的问题和解决办法, 可留作参考
操作环境: ubuntu20
$ gcc --version
gcc (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.2) 9.4.0
$ as --version
GNU 汇编器 (GNU Binutils for Ubuntu) 2.34
$ ld --version
GNU ld (GNU Binutils for Ubuntu) 2.34

操作过程:

1. 下载源码:

https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v1.0/linux-1.0.tar.gz

2. 根据readme, 将代码解压到/usr/src/linux 下

1. 先建立两个链接
   cd /usr/include
   mv linux linux_orig
   mv asm asm_orig
   ln -s /usr/src/linux/include/linux .
   ln -s /usr/src/linux/include/asm .
2. 然后进行编译
   make config //一路回车全给默认
   make dep
   make

说起来就3步make, 但是第二步make dep 就不那么顺利了.

3 解决 dep 依赖问题

$ make dep

make[2]: 进入目录“/usr/src/linux/drivers/char”
gcc -D__KERNEL__ -E -M tty_io.c console.c keyboard.c serial.c tty_ioctl.c pty.c vt.c mem.c defkeymap.c psaux.c mouse.c > .depend
serial.c:538:8: error: macro names must be identifiers
538 | #ifdef 0
| ^
make[2]: *** [Makefile:78：dep] 错误 1
make[2]: 离开目录“/usr/src/linux/drivers/char”
make[1]: *** [Makefile:39：dep] 错误 2
make[1]: 离开目录“/usr/src/linux/drivers”
make: *** [Makefile:253：dep] 错误 2

错误位置: drivers/char/serial.c 文件第538行有#ifdef 0, 使的dep构建不能通过
错误原因: #ifdef 0 在新gcc 中已经不合法
解决办法: 改为 #if 0

顺便把./fs/buffer.c:#ifdef 0 也改掉

In file included from /usr/include/x86_64-linux-gnu/asm/socket.h:1,
from /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/socket.h:354,
from /usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/socket.h:33,
from /usr/include/netinet/in.h:23,
from plip.c:87:
/usr/include/asm-generic/socket.h:5:10: fatal error: linux/posix_types.h: 没有那个文件或目录
5 | #include <linux/posix_types.h>
| ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
compilation terminated.
make[3]: *** [Makefile:143：dep] 错误 1
make[3]: 离开目录“/usr/src/linux/drivers/net”
make[2]: *** [Makefile:39：dep] 错误 2
make[2]: 离开目录“/usr/src/linux/drivers”
make[1]: *** [Makefile:253：depend] 错误 2
make[1]: 离开目录“/usr/src/linux”
make: *** [Makefile:262：…depend] 错误 2

错误位置: drivers/net/plip.c:87调用/usr/include/netinet/in.h, 最后缺失文件linux/posix_types.h
错误原因: 它打开了新版本的netinet/in.h 文件,再访问旧版本linux目录,因而找不到指定文件
解决办法: 把新版本的posix_types.h 拷贝进linux 目录, 令依赖通过
cp /usr/include/linux_orig/posix_types.h /usr/include/linux

解决了上面2个错误， make dep 就通过了,下面开始make

4 生成内核文件,解决一系列编译连接问题

$ make
gcc -D__KERNEL__ -E -traditional boot/head.S -o boot/head.s
as -c -o boot/head.o boot/head.s
boot/head.S: Assembler messages:
boot/head.S:64: 错误： invalid instruction suffix for push' boot/head.S:65: 错误： invalid instruction suffix for popf’
boot/head.S:99: 错误： invalid instruction suffix for `pushf’
…
错误位置: boot/head.S 中有一堆编译错误.
错误原因：现在的as 默认是64位的,需要改成32位编译
解决办法：打开Makefile , 将 AS = as 改为 AS = as --32

gcc -D__KERNEL__ -Wall -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer -pipe -m486 -c -o init/main.o init/main.c
gcc: error: unrecognized command line option ‘-m486’

错误原因：新gcc已经没有该选项了, 但应该加-m32标志，表示编译的是32位程序，否则默认是64位程序
解决办法：打开Makefile , 注释掉-m486标志， 但应该添加-m32标志， 表示编译的程序是32位的.
#CFLAGS := $(CFLAGS) -m486
HOSTCC =gcc -m32
CC =gcc -D__KERNEL__ -m32

In file included from init/main.c:10:
/usr/include/asm/io.h: In function ‘__inbc’:
/usr/include/asm/io.h:78:1: error: impossible constraint in ‘asm’
78 | __IN(b,“b”,“0” (0))
| ^~~~
make: *** [Makefile:149：init/main.o] 错误 1

错误位置: 在init/main.c第10行,包含asm/io.h, 此文件的第78行，在宏展开过程中，有不正确的asm写法
错误原因: 这个问题比较复杂, 是因为新版gcc 中, 已经不使用extern inline, 代之以inline
解决办法: 把 extern inline 中的extern 去掉. (先处理一下这个io.h文件，看看效果）

该错误解决后，又出现如下错误.
In file included from /usr/include/linux/sched.h:77,
from init/main.c:15:
/usr/include/linux/mm.h: In function ‘get_free_page’:
/usr/include/linux/mm.h:98:3: error: ‘asm’ operand has impossible constraints
98 | asm volatile(“rep ; stosl”
| ^~~~~~~
make: *** [Makefile:149：init/main.o] 错误 1

错误位置: 在init/main.c第15行,包含linux/sched.h, 此文件的第77行，包含linux/mm.h
在其第98行, get_free_page 函数中， 有不正确的asm写法
错误原因: 新版gcc 内嵌汇编 已经不再需要在第3部分添加变化寄存器说明.
解决办法：去掉变换寄存器部分
原代码：
asm volatile(“rep ; stosl”
: /* no outputs /
:“a” (0),“c” (1024),“D” (page)
:“di”,“cx”);
修改后代码:
asm volatile(“rep ; stosl”
: / no outputs */
:“a” (0),“c” (1024),“D” (page)
😃;
编译通过，继续.

In file included from init/main.c:19:
/usr/include/linux/string.h: In function ‘strcpy’:
/usr/include/linux/string.h:24:1: error: ‘asm’ operand has impossible constraints
24 | asm(“cld\n”
| ^~~~~~~
make: *** [Makefile:149：init/main.o] 错误 1

错误位置: init/main.c:19 ->linux/string.h:24, strcpy函数中，
错误原因: asm 书写不合法, 有不可能约束.
解决办法: 要去掉变换寄存器约束, 跟上一条处理方法一样.

内嵌汇编由于新版的gcc 已经改为不需要第3部分变换寄存器说明，所以这一改动会大量修改内核代码
你可以通过在.h, .c 中查找"ax" 寄存器或者"cx"寄存器来找到它们并修改
./include/linux/mm.h
./include/linux/sched.h
./include/linux/string.h
./include/linux/delay.h
./include/asm/segment.h
./include/asm/system.h
以下.c文件可能需要修改
$ find . -name “*.c”|xargs grep -l -w ax
./mm/memory.c
./kernel/traps.c
./fs/minix/bitmap.c
./fs/proc/base.c
./fs/isofs/namei.c
./fs/ext2/balloc.c
./fs/ext2/ialloc.c
./fs/ext/namei.c
./net/inet/loopback.c
./net/inet/ip.c
./net/inet/tcp.c
./net/inet/udp.c
./init/main.c
./drivers/FPU-emu/fpu_trig.c
./drivers/net/3c501.c
./drivers/sound/audio.c
./drivers/char/console.c

打开文件查看,需要改就改！ 改不完全也没关系,让编译器去检查.
纯手工活,批量改也是手工活，没有统一规律,谁对编辑器熟悉改的就快一点,例如emacs
这样就解决了内嵌汇编语法问题.

sched.c:41:25: error: conflicting type qualifiers for ‘xtime’
41 | volatile struct timeval xtime; /* The current time */
| ^~~~~
In file included from sched.c:16:
/usr/include/linux/sched.h:308:23: note: previous declaration of ‘xtime’ was here
308 | extern struct timeval xtime;
| ^~~~~

错误位置: sched.c:41 行 声明了 volatile struct timeval xtime,与sched.c:16行包含了
linux/sched.h:308行中的声明 extern struct timeval xtime 相冲突
错误原因: 两处变量声明类型不一致,新版gcc 检查更严格
解决办法：加上volatile 关键字使完全一致,

extern volatile struct timeval xtime;
另外, 把time.c 中的 extern struct timeval xtime 也改为 extern volatile struct timeval xtime
这样编译就通过了,进入下一步链接问题.

ld -r -o kernel.o sched.o sys_call.o traps.o irq.o dma.o fork.o panic.o printk.o vsprintf.o sys.o module.o ksyms.o exit.o signal.o mktime.o ptrace.o ioport.o itimer.o info.o ldt.o time.o
ld: traps.o: in function tas': traps.c:(.text+0x0): multiple definition of tas’; sched.o:sched.c:(.text+0x830): first defined here
ld: traps.o: in function verify_area': traps.c:(.text+0x20): multiple definition of verify_area’; sched.o:sched.c:(.text+0x850): first defined here
ld: traps.o: in function `get_free_page’:
ld -r -o kernel.o sched.o sys_call.o traps.o …

错误位置: 连接错误, 在traps.c 中有tas 定义， 但是sched.c 中也有tas 定义
同理,在traps.c 中有verify_area函数定义，在sched.c 中也有verify_area函数定义
同理,在traps.c 中有get_free_page函数定义，在sched.c 中也有get_free_page函数定义

首先先解决一个基本问题
ld 生成32bit 还是64bit 的选择问题
ld 应该加上选项 -m elf_i386 ,使生成 32bit 的库
打开Makefile ,
将
LD =ld
改为
LD =ld -m elf_i386

然后来解决多重定义问题:

错误原因: get_free_page 是在mm.h中定义的 extern inline unsigned long 函数，并在头文件中定义了函数体.
调用它的地方在多个文件中包含该头文件， 显然它并没有在调用的地方inline 而是似乎定义了多个函数体
新版的gcc 要想inline, 只需要声明inline, 不再需要声明为extern inline

解决办法: 将extern inline … 改为 inline … 这一改动又引起了许多文件的改动！！

$ find . -name “.c" -o -name ".h” |xargs grep -l “extern inline”
./include/linux/sysv_fs.h
./include/linux/mm.h
./include/linux/sched.h
./include/linux/locks.h
./include/linux/interrupt.h
./include/linux/string.h
./include/asm/system.h
./fs/sysv/balloc.c
./drivers/net/atp.h
./drivers/sound/audio.c
./drivers/char/kbd_kern.h
不过这次改动比较简单，因为是固定改动，一个查找替换就可以了.
需要make clean , 消除原来生成的.o文件
再make, 重新生成.o文件

但是问题还没有完全解决, 还有一些连接问题
ld -m elf_i386 -r -o kernel.o sched.o sys_call.o traps.o irq.o dma.o fork.o panic.o printk.o vsprintf.o sys.o module.o ksyms.o exit.o signal.o mktime.o ptrace.o ioport.o itimer.o info.o ldt.o time.o
ld: vsprintf.o: in function strcpy': vsprintf.c:(.text+0x320): multiple definition of strcpy’; traps.o:traps.c:(.text+0x0): first defined here
ld: vsprintf.o: in function strncpy': vsprintf.c:(.text+0x340): multiple definition of strncpy’; traps.o:traps.c:(.text+0x20): first defined here

就是 string.h 文件还是有多重定义,为何?

错误原因: 象strcpy, strcmp 等这些常用的string.h 中的函数, 现代gcc 默认都使用它内置的形式,而不采用用户定义的形式.
解决方法: 在CFLAGS 上加上 -fno-builtin 这样就会使用用户的代码从而消除了重复定义. 这是我参考了0.11源码编译发现的.
打开Makefile
将
CFLAGS = -Wall -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer -pipe
改为
CFLAGS = -Wall -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer -pipe -fno-builtin
需要make clean , 消除原来生成的.o文件
再make, 重新生成.o文件

fpu_entry.c:473:24: error: lvalue required as left operand of assignment
473 | FPU_data_address = 0;
错误原因: 左值需要左操作数赋值 , 左值FPU_data_address 定义的是(void *)
解决办法: 去掉(void *)
#define FPU_data_address ((void *)(I387.soft.twd)) 改为
#define FPU_data_address (I387.soft.twd)

继续make, 还有许多警告 -Wstrict-aliasing
fpu_emu.h:136:5: warning: dereferencing type-punned pointer will break strict-aliasing rules [-Wstrict-aliasing]
现在没空管这些警告, 尤其是这种严格的警告需要关闭，
解决办法: 打开Makefile
将
CFLAGS = -Wall -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer -pipe -fno-builtin
改为
CFLAGS = -Wall -O2 -fomit-frame-pointer -pipe -fno-builtin
这样输出就会好很多!
还是没有关掉-Wstrict-aliasing, 算了,那是-Wall 引起的,就这样吧，先不理它了.

fpu_trig.c:748:17: error: missing terminating " character
748 | asm volatile ("movl %2,%%eax; mull %4; subl %%eax,%0; sbbl %%edx,%1;
| ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
fpu_trig.c:749:18: error: expected string literal before ‘movl’
749 | movl %3,%%eax; mull %4; subl %%eax,%1;

错误原因: 内嵌汇编不能只用一对双引号把块扩起来，而应该每行都加双引号
解决办法: 每行加双引号.
这种改动因为没有统一性，又是一种纯手工活,碰到了改就是了.

exec.c: In function ‘copy_strings’:
exec.c:380:44: error: lvalue required as left operand of assignment
380 | !(pag = (char *) page[p/PAGE_SIZE] =
| ^
将：
if (!(pag = (char *) page[p/PAGE_SIZE]) &&
!(pag = (char *) page[p/PAGE_SIZE] =
(unsigned long *) get_free_page(GFP_USER)))
return 0;
改为：
if (!(pag = (char *) page[p/PAGE_SIZE]))
{
pag = get_free_page(GFP_USER);
page[p/PAGE_SIZE] = pag;
if(!pag) return 0;
}

ld -m elf_i386 -r -o minix.o bitmap.o truncate.o namei.o inode.o file.o dir.o symlink.o fsync.o
ld: inode.o: in function set_bit': inode.c:(.text+0x860): multiple definition of set_bit’; bitmap.o:bitmap.c:(.text+0x130): first defined here

查看inode.c 的set_bit, 发现其定义为
extern inline int set_bit(int nr,int * addr)
把 extern 去掉 即可.
同时发现 dma.h 中也需要如此修改

继续,还有汇编问题
balloc.c:106: 错误： junk $0' after expression balloc.c:106: 错误： junk repnz’ after register

将
asm(
" cld"
" mov $0,%%eax"
…
改为
asm(
" cld\n\t"
" mov $0,%%eax\n\t"
即每行应加上\n, 又是手工活， 不过在emacs或vim中编辑可以用宏命令简化

sock.c:331:17: error: lvalue required as left operand of assignment
331 | UN_DATA(sock) = upd;
解决办法:
//UN_DATA(sock) = upd;
sock->data = upd;

gcc -D__KERNEL__ -m32 -Wall -O2 -fomit-frame-pointer -pipe -fno-builtin -c -o arp.o arp.c
arp.c:126:27: error: conflicting type qualifiers for ‘arp_q’
126 | struct sk_buff * volatile arp_q = NULL;
| ^~~~~
In file included from arp.c:80:
arp.h:48:24: note: previous declaration of ‘arp_q’ was here
48 | extern struct sk_buff *arp_q;
解决办法, 前面有说明，加volatile 成完全一致

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至此，编译已经通过，解决最后的连接问题.

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ld -m elf_i386 -Ttext 100000 boot/head.o init/main.o tools/version.o
kernel/kernel.o mm/mm.o fs/fs.o net/net.o ipc/ipc.o
fs/filesystems.a
drivers/block/block.a drivers/char/char.a drivers/net/net.a ibcs/ibcs.o drivers/FPU-emu/math.a
lib/lib.a
-o tools/zSystem
ld: 警告: 无法找到项目符号 _start; 缺省为 0000000000100000
ld: kernel/kernel.o: in function sys_alarm': (.text+0x266): undefined reference to __stack_chk_fail_local’

错误原因: __stack_chk_fail_local 是新gcc 为安全启用的一个选项,系统文件中不包含该符号.
我们检查很多.o文件都包含__stack_chk_fail_local 符号.
解决办法: CFLAGS 中加上-fno-stack-protector
将
CFLAGS = -Wall -O2 -fomit-frame-pointer -pipe -fno-builtin
改为:
CFLAGS = -Wall -O2 -fomit-frame-pointer -pipe -fno-builtin -fno-stack-protector
重新make clean; make

继续:
ld: kernel/kernel.o: in function schedule': (.text+0xa2f): undefined reference to _current’
ld: (.text+0xa38): undefined reference to _current' ld: (.text+0xa45): undefined reference to _last_task_used_math’
ld: kernel/kernel.o: in function `__down’:

current 明明在schedule.c 中定义了,却为和说未定义？
错误原因: 现在gcc的c语言 符号名不再自动加下划线了.
解决办法: 需要把对_current 的引用改为current,

ld: kernel/kernel.o: in function sched_init': (.text+0x12e2): undefined reference to gdt’
ld: (.text+0x133c): undefined reference to idt' ld: (.text+0x1342): undefined reference to system_call’

错误原因: 还是上面原因,新gcc不再把.c文件的符号自动加下划线, 所以.S 与 .C 中文件符号要重新对应
解决办法: 需要把head.S 中的 _gdb 改成gdt, _idt 改成 idt 等等.
起作用的是 .globl _idt,_gdt,
总之,解决这个需要在.S,中定义导出的下划线去掉， 调用的下划线也去掉. 又是一个手工活,怎么顺手怎么来吧。

ld: kernel/kernel.o:(.data.rel.ro+0x0): undefined reference to bad_IRQ0_interrupt' ld: kernel/kernel.o:(.data.rel.ro+0x4): undefined reference to bad_IRQ1_interrupt’

irq.h 中有一个宏,BUILD_IRQ, 其中有asm 内链汇编, 把标号名称去掉下划扛.
即将
“_bad_IRQ” #nr "interrupt:\n\t"
SAVE_MOST
ACK##chip(mask)
RESTORE_MOST
改为:
“bad_IRQ” #nr "interrupt:\n\t"
SAVE_MOST
ACK##chip(mask)
RESTORE_MOST
同样: _IRQ, _fast_IRQ 也要去掉下划线

ld: kernel/kernel.o: in function sys_get_kernel_syms': (.text+0x65cc): undefined reference to symbol_table_size’
ld: (.text+0x6621): undefined reference to `symbol_table’
这要改ksyms.sh 文件, 去掉下划线,这样生成的 .s 文件不再有下划线.

关于.S, .c 符号一致性问题也就这么多了, 好好用find, grep 来定位问题,结合emacs,vim编辑

make[1]: 进入目录“/usr/src/linux/zBoot”
gcc -D__KERNEL__ -m32 -O2 -DSTDC_HEADERS xtract.c -o xtract
xtract.c:18:10: fatal error: a.out.h: 没有那个文件或目录
18 | #include <a.out.h>

解决办法:
18 | #include <a.out.h>
改为
#include <linux/a.out.h>
实际上xtract 工具已经不使用它了, 因为它操作的是OMAGIC格式文件,而现在生成的是elf32

ld -m elf_i386 -o zSystem -Ttext 1000 head.o inflate.o unzip.o misc.o piggy.o
piggy.o: file not recognized: file format not recognized
make[1]: *** [Makefile:21：zSystem] 错误 1
make[1]: 离开目录“/usr/src/linux/zBoot”

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5 最后的问题： tools/zSystem 已经生成后, 内核压缩问题

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此时 tools/zSystem 已经生成!!
make -C zBoot
make[1]: 进入目录“/usr/src/linux/zBoot”
./xtract …/tools/zSystem | gzip -9 | ./piggyback > piggy.o
Non-GCC header of ‘system’
Compressed size 20.
ld -m elf_i386 -o zSystem -Ttext 1000 head.o inflate.o unzip.o misc.o piggy.o
piggy.o: file not recognized: file format not recognized
make[1]: *** [Makefile:21：zSystem] 错误 1

我们可以研究一下zBoot 如何组装数据,有2个执行程序, xtract, piggyback
2个小程序， 代码很少，可以阅读.
xtract 它抽取的是OMAGIC 格式的文件,但现在ld生成的是elf格式,该函数可以用脚本替换.
piggyback, 用来生成piggy.o 的文件 但它是OMAGIC 格式的.

tools/zSystem 是一个非压缩内核,它已经生成.
但没有生成压缩的内核,因为新版本ld 已经不支持OMAGIC格式的文件了,
piggy.o 是把未压缩内核变成OMAGIC类型纯数据文件，但ld已经不支持了. ubuntu18下还是支持的.
ubuntu18 下的ld 是 ld --version 2.30
ubuntu20 下:
ld --version
GNU ld (GNU Binutils for Ubuntu) 2.34

只能放弃OMAGIC 格式, xtract,piggyback 都不能使用了, 需要用elf32 格式的文件
有时间再继续!

6 小结：

由于汇编as,连接ld,及编译gcc的更新,代码及编译环境需要进行相应的调整
解决了一系列编译连接问题, 生成了未压缩的内核文件.
最后由于ld不能支持OMAGIC 格式文件,压缩的内核未能生成.

另,如果改用非压缩内核也会有问题,因为非压缩内核默认配置下编译出大大小是700多K,超过setup所能容纳
的容量,约512K， setup.s 程序不方便改,因为它把内核放到0地址,而0xA0000或0xB8000地址是显示区,所以
内核大小受到了限制.
所以这一篇就先到编译出内核为止,生成tools/zSystem
下一篇继续解决压缩内核问题.
后面的任务包括编译出可启动影像zImage 并在虚拟机上运行和调试.