====== Sestavení Linuxového systému z jednotlivých komponent ======
===== Cíl cvičení =====
Na předchozích cvičeních jsme se zabývali jednotlivými aspekty operačních systémů a jejich používání a programování. V této dobrovolné úloze si zkusíte sestavit kompletní operační systém z jednotlivých komponent. Bude se jednat o operační systém s jádrem [[http://kernel.org/|Linux]] a jako uživatelský prostor budeme používat projekt [[http://busybox.net/|BusyBox]]. Tato kombinace komponent je často používána ve vestavěných (embedded) aplikacích, jako jsou například síťové routery, chytré domácí spotřebiče apod.
Co je Linuxové jádro snad už trochu tušíte z přednášek. BusyBox je sada miniaturních Unixových programů jako je například příkazový interpret (shell), editor, příkazy jako ''ls'', ''find'', ''cat'' atd. Pomocí projektu BusyBox lze vytvořit funkční unixové uživatelské prostředí o celkové velikosti pod 1 MiB.
===== Zadání =====
Vytvořte shellový skript, který automaticky vytvoří a v emulátoru Qemu nabootuje funkční operační systém. Skript by měl vykonat následující operace:
* Stáhne zdrojové kódy projektu [[http://busybox.net/|BusyBox]] (buď z [[https://busybox.net/downloads/|archivu]] nebo z [[https://git.busybox.net/busybox|repozitáře verzovacího systému git]]).
* Nakonfiguruje a zkompiluje BusyBox (stačí výchozí konfigurace pomocí ''make defconfig'', kompilace pomocí ''make'').
* Stáhne zdrojové kódy jádra Linux. Buď jako [[https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.14.10.tar.xz|archiv tar]] nebo naklonuje [[https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux-stable.git|repozitář gitu]].
* Nakonfiguruje (opět stačí ''make defconfig'') a zkompiluje jádro. Doporučujeme kompilovat paralelně na všech dostupných procesorech pomocí ''make -j$(nproc)''.
* Ze zkompilovaného BusyBoxu vytvoří souborový systém tak, aby Linuxové jádro mohlo nabootovat. Viz nápovědu níže.
* Zkompilované jádro a vytvořený souborový systém nabootuje v emulátoru Qemu. (Pozor: V předchozích cvičeních jsme používali emulátory 32bitového systému. Zde budete pravděpodobně kompilovat 64bitový systém, takže použijte i jeho emulátor ''qemu-system-x86_64'').
**Evaluace**:
* Úloha se nekontroluje automaticky - je proto nutná osobní kontrola cvičícím!
===== Nápověda =====
==== Tvorba souborového systému ====
Základem pro váš souborový systém bude BusyBox nainstalovaný příkazem make install Tím se vytvoří základní adresářová struktura, ale k nabootování systému to stačit nebude. Bude potřeba vyřešit následující nedostatky:
- Doplnit sdílené knihovny, které potřebuje BusyBox ke svému běhu
- Vytvořit adresář ''/dev'' s odkazy na nejnutnější zařízení.
Jaké jsou potřeba knihovny pro běh daného programu lze zjistit příkazem ''ldd''. V našem případě tedy spustíme ldd _install/bin/busybox Všechny zmiňované knihovny (s výjimkou ''linux-vdso.so.1'') je potřeba mít v cílovém souborovém systému v místě, kde je najde dynamický linker (''/lib64/ld-linux-x86-64.so.2''). Teoreticky byste si i tyto knihovny mohli zkompilovat sami, ale vzhledem k tomu, že kompilace knihovny jazyka C (''libc'') není triviální, použijte už zkompilovanou knihovnu z vašeho systému.
Dostupnost všech potřebných knihoven můžete otestovat příkazem ''chroot''. Pokud se rozhodnete svůj souborový systém vytvářet v adresáři ''_install'', spusťte tedy chroot _install /bin/sh Ten spustí příkaz ''/bin/sh'' s kořenovým adresářem nastaveným na ''_install''. Shell tedy neuvidí žádné jiné soubory než ty, co jsou v adresáři ''_install'' a pokud tam budou chybět potřebné knihovny, nepůjde ani spustit.
Nejjednodušší možnost jak nabootovat do právě vytvořeného uživatelského prostředí je uložit ho ve formátu pro Linuxový startovací RAM-disk a nabootovat Linuxové jádro s tímto RAM-diskem. Aby vše fungovalo jak má, kromě souborů v adresáři ''%%_install%%'' musí RAM-disk obsahovat i několik položek v adresáři ''%%/dev%%'' pro přístup k virtuálním terminálům. V závislosti na vašem oprávnění můžete RAM-disk vytvořit jedním z následujících způsobů:
* Pokud máte //rootovská// práva, můžete odkazy na zařízení zkopírovat z vašeho systému a RAM-disk pak vytvořit následovně:
mkdir _install/{dev,etc,proc,sys}
sudo cp -a /dev/tty? _install/dev
ln -s bin/busybox _install/init
(cd _install; find . | cpio -o -H newc | gzip) > ramdisk
* Bez rootovských práv můžete RAM-disk vytvořit pomocí nástroje [[http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=usr/gen_init_cpio.c;hb=HEAD|gen_init_cpio]]. Pokud program nemáte na svém počítači, zkompilujte si ho ze [[http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=usr/gen_init_cpio.c;hb=HEAD|zdrojových kódů]].
(
cat < filelist
gen_init_cpio filelist | gzip > ramdisk
Výše uvedené příkazy fungují následovně: Nejprve vytvoříme seznam souborů (''%%filelist%%''), které má ramdisk obsahovat. Nástroj ''%%gen_init_cpio%%'' pak podle toho seznamu vytvoří obraz ramdisku, který "zazipujeme" příkazem ''%%gzip%%'' a uložíme do souboru ''%%ramdisk%%''.
==== Bootování jádra s naším filesystémem v emulátoru Qemu ====
Na 64-bitovém systému spustíme emulátor Qemu s parametry ''-kernel'' a ''-initrd''. Jako jádro zvolíme výsledek naší kompilace jádra, typicky soubor ''arch/x86/boot/bzImage''. Spuštění emulátoru pak může vypadat např. následovně:
qemu-system-x86_64 -kernel linux-stable/arch/x86/boot/bzImage -initrd busybox/ramdisk
Pokud vše proběhlo správně, zobrazila se hláška Please press Enter to activate this console. a po stisku Enteru můžete začít pracovat ve vašem právě vytvořeném systému.
===== Možná vylepšení =====
Dále můžete provést drobná (či větší) vylepšení svého nového systému, která vám mohou zjednodušit další práci.
* Můžete připojit souborový systém ''%%/proc%%'', aby fungovaly příkazy jako např. ''%%ps%%'' (výpis běžících procesů). Příkaz spusťte v emulátoru, ne na vaší pracovní stanici. mount -t proc none /proc
* V RAM-disku můžete vytvořit soubor ''%%/etc/init.d/rcS%%'', který bude obsahovat příkazy, které budou spuštěny při bootu systému. mkdir -p _install/etc/init.d cat <_install/etc/init.d/rcS
#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
echo Nazdar!!!!
EOF
chmod +x _install/etc/init.d/rcS # nastavení spustitelnosti
Nyní musíte znovu vytvořit RAM-disk a nabootovat.
* Zachytávání zpráv jádra spuštěného v emulátoru QEMU do souboru. Zprávy jádra je možné přesměrovat na virtuální sériový port a odtamtud pak například na standardní výstup:qemu -serial stdio ... a jádru předáme parametr ''%%console=ttyS0%%''qemu -serial stdio -append console=ttyS0 ...
* Pokud chcete z vašeho systému komunikovat po síti, připojte ho na vnější síť pomocí NAT na uživatelské úrovni:qemu -net nic,vlan=0,model=ne2k_pci -net user,vlan=0 ...
===== Tipy a triky =====
* Pokud je Qemu spouštěný přes vzdálené připojení (např. server postel), je potřeba pro zobrazení emulované obrazovky spouštěného stroje buď provést protunelování X protokolu (''%%ssh -X%%'') nebo používat Qemu s emulací obrazovky v textovém režimu ''%%qemu -curses%%''. Další možnost je emulovat HW bez grafické karty ''%%qemu -nographic%%'' a nastavit testovaný systém tak, aby systémová konzole směřovala na sériový port (''%%-append console=ttyS0%%'').
===== Reference =====
* [[https://rtime.felk.cvut.cz/osp/cviceni/2/#index2h1|Podobná úloha v předmětu OSP]]
* [[http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=Documentation/filesystems/ramfs-rootfs-initramfs.txt;hb=HEAD|ramfs, rootfs and initramfs]]
* [[http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=blob;f=Documentation/early-userspace/README;hb=HEAD|Early userspace support]]
* [[http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-linuxboot/|Inside the Linux boot process]]\\
* [[http://www.tldp.org/HOWTO/Bootdisk-HOWTO/|The Linux Bootdisk HOWTO]]\\