Linux 内核

简介

树莓派内核托管在 GitHub 上，更新一般滞后于上游的 Linux 内核。上游内核在持续更新着，而树莓派将则会将 long-term releases（长期维护版本） 的 Linux 内核集成到树莓派内核。我们在 raspberrypi/firmware 中会为每个长期维护的 Linux 内核版本生成一个 next 分支。在经过海量的测试和大规模讨论后，我们会将 next 分支合并到我们版本库的主分支（main）中。

更新

日常的树莓派系统更新流程会自动把你的内核更新到最新稳定版本。如果你想尝试最新不稳定版测试内核，你可以手动更新。

编译内核

操作系统自带的编译器，链接器通常配置为：为能在该系统上运行的可执行文件而进行编译。本地编译（Native builds） 使用上述默认的编译器和链接器。而 交叉编译（Native builds） 是指为与当前编译环境不同的目标系统编译代码的流程。

对树莓派内核的交叉编译能让你在 32 位操作系统上编译 64 位内核，反之亦然。你还可以在非树莓派设备上交叉编译 32 位（或 64 位）的树莓派内核。

以下说明分为本地编译和交叉编译两部分。请选择适合你的那个部分，虽然这两种方式有许多相似步骤，但也有些许明显的差异。

下载内核源码

在为特定目标编译之前，你需要内核源码。要下载源码，你需要安装 Git。先在你的设备上安装 Git（如未安装）：

$ sudo apt install git

接下来，下载最新的树莓派内核源码：

$ git clone --depth=1 https://github.com/raspberrypi/linux

这可能需要几分钟。

技巧

命令 git clone 用于下载当前活跃分支的代码，我们用这个分支来构建树莓派系统镜像；未包含历史记录。要下载包含全部分支一切历史的完整仓库，请省略参数 --depth=1。这会花费更长时间，占用更多存储空间。

如需下载的其他分支（不带历史记录），可在上述命令中添加参数 --branch，把 <分支> 改成你想下载的分支名：

$ git clone --depth=1 --branch <分支> https://github.com/raspberrypi/linux

要查看所有可用分支的完整列表，请参见树莓派内核存储库。

现在你已经有了内核源码，可以选择本地编译还是用交叉编译构建新内核。

本地编译内核

本指南假设你的树莓派正运行着最新版本的树莓派系统。

先安装编译所需的依赖包：

$ sudo apt install bc bison flex libssl-dev make

编译配置

本节介绍了如何在编译内核时采用默认配置。你也可以使用以下方式配置你的内核：

• 启用、禁用内核功能

• 应用其他来源的补丁

要准备默认配置，请根据你的树莓派型号执行下表中的对应命令。

架构	型号	命令
64 位	树莓派 3	$ cd linux $ KERNEL=kernel8 $ make bcm2711_defconfig
	树莓派计算模块 3
	树莓派 3+
	树莓派计算模块 3+
	树莓派 Zero 2 W
	树莓派 4
	树莓派 400
	树莓派计算模块 4
	树莓派计算模块 4S
	树莓派 5	$ cd linux $ KERNEL=kernel_2712 $ make bcm2712_defconfig
32 位	树莓派 1	$ cd linux $ KERNEL=kernel $ make bcmrpi_defconfig
	树莓派计算模块 1
	树莓派 Zero
	树莓派 Zero W
	树莓派 2	$ cd linux $ KERNEL=kernel7 $ make bcm2709_defconfig
	树莓派 3
	树莓派计算模块 3
	树莓派 3+
	树莓派计算模块 3+
	树莓派 Zero 2 W
	树莓派 4	$ cd linux $ KERNEL=kernel7l $ make bcm2711_defconfig
	树莓派 400
	树莓派计算模块 4
	树莓派计算模块 4S

注意

树莓派 4B、5、400，计算模块 4、计算模块 4S 上的 32 位版树莓派系统使用了 32 位用户空间，但运行的是 64 位内核。如果要编译 32 位内核，请设定 ARCH=arm。若要启动 32 位内核，在 config.txt 中设定 arm_64bit=0。

使用 LOCALVERSION 自定义内核版本

为了防止内核覆盖 /lib/modules 中的现有模块，并在 uname 输出中明确输出你运行的是自定义内核，请调整 LOCALVERSION。

要调整 LOCALVERSION，请修改 .config 文件中的这一行：

CONFIG_LOCALVERSION="-v7l-MY_CUSTOM_KERNEL"

技巧

你还可以通过图形界面的 menuconfig 更改此设置，路径为 General setup > Local version - append to kernel release。更多有关 menuconfig 的信息，请参见 内核配置说明。

编译

接下来，编译内核。根据你的树莓派型号，此步骤可能需要很长时间。

• 运行以下命令可编译 64 位内核：

  $ make -j6 Image.gz modules dtbs

• 运行以下命令可编译 32 位内核：

  $ make -j6 zImage modules dtbs

技巧

在多核款树莓派上，参数 make -j<数量> 会把工作分配到多个核心，从而显著提高编译速度。可运行 nproc 查看你有多少处理器，我们建议使用的数字为处理器数量的 1.5 倍。

安装内核

接下来，将内核模块安装到启动介质上：

$ sudo make -j6 modules_install

然后，将内核和设备树二进制文件安装到启动分区中，并备份原有内核。

技巧

如果你不想将新编译的内核安装到运行此命令的树莓派上，请将编译好的内核复制到一个单独启动介质的启动分区中，而非 /boot/firmware/。

要安装 64 位内核：

• 运行以下命令可创建当前内核的备份镜像，安装新的内核镜像、叠加层文件、README 文件，再卸载分区：

  $ sudo cp /boot/firmware/$KERNEL.img /boot/firmware/$KERNEL-backup.img
  $ sudo cp arch/arm64/boot/Image.gz /boot/firmware/$KERNEL.img
  $ sudo cp arch/arm64/boot/dts/broadcom/*.dtb /boot/firmware/
  $ sudo cp arch/arm64/boot/dts/overlays/*.dtb* /boot/firmware/overlays/
  $ sudo cp arch/arm64/boot/dts/overlays/README /boot/firmware/overlays/

要安装 32 位内核：

1. 备份当前内核并安装新的内核镜像：

   $ sudo cp /boot/firmware/$KERNEL.img /boot/firmware/$KERNEL-backup.img
   $ sudo cp arch/arm/boot/zImage /boot/firmware/$KERNEL.img

2. 根据你的内核版本，可运行以下命令：

   • 对于 6.4 版本及以下的内核：

     $ sudo cp arch/arm/boot/dts/*.dtb /boot/firmware/

   • 对于 6.5 版本及以上的内核：

     $ sudo cp arch/arm/boot/dts/broadcom/*.dtb /boot/firmware/

3. 最后，复制覆盖文件和 README 文件：

   $ sudo cp arch/arm/boot/dts/overlays/*.dtb* /boot/firmware/overlays/
   $ sudo cp arch/arm/boot/dts/overlays/README /boot/firmware/overlays/

最后，运行以下命令重新启动你的树莓派，并运行新编译的内核：

$ sudo reboot

技巧

还可以使用不同的文件名（例如 kernel-myconfig.img）复制内核，而不是覆盖文件 kernel.img 。然后，在引导分区下编辑 config.txt，选择你的内核：

kernel=kernel-myconfig.img

将此方法与自定义 LOCALVERSION 结合使用，可将你的自定义内核与系统管理的默认内核镜像分开。这样一来，如果你的内核无法启动，你可以快速恢复到默认内核。

交叉编译内核

首先，你需要一台合适的 Linux 交叉编译主机。我们一般用 Ubuntu。由于树莓派系统同样也是一款基于 Debian 的发行版，所以编译命令极为接近。

安装所需的依赖和工具链

要通过交叉编译构建源代码，请在设备上安装所需的依赖包。运行以下命令可安装大多数依赖：

$ sudo apt install bc bison flex libssl-dev make libc6-dev libncurses5-dev

然后，安装适用于你要编译的内核架构之工具链：

• 要安装用于编译 64 位内核的 64 位工具链，请运行以下命令：

  $ sudo apt install crossbuild-essential-arm64

• 要安装用于编译 32 位内核的 32 位工具链，请运行以下命令：

  $ sudo apt install crossbuild-essential-armhf

构建配置

本节介绍了如何在构建内核时采用默认配置。你也可以用下述方式配置内核：

• 启用、禁用内核功能

• 打上其他来源的补丁

输入以下命令构建源代码和设备树文件：

目标架构	目标型号	命令
64 位	树莓派 3	$ cd linux $ KERNEL=kernel8 $ make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- bcm2711_defconfig
	树莓派计算模块 3
	树莓派 3+
	树莓派计算模块 3+
	树莓派 Zero 2 W
	树莓派 4
	树莓派 400
	树莓派计算模块 4
	树莓派计算模块 4S
	树莓派 5	$ cd linux $ KERNEL=kernel_2712 $ make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- bcm2712_defconfig
32 位	树莓派 1	$ cd linux $ KERNEL=kernel $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bcmrpi_defconfig
	树莓派计算模块 1
	树莓派 Zero
	树莓派 Zero W
	树莓派 2	$ cd linux $ KERNEL=kernel7 $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bcm2709_defconfig
	树莓派 3
	树莓派计算模块 3
	树莓派 3+
	树莓派计算模块 3+
	树莓派 Zero 2 W
	树莓派 4	$ cd linux $ KERNEL=kernel7l $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bcm2711_defconfig
	树莓派 400
	树莓派计算模块 4
	树莓派计算模块 4S

使用 LOCALVERSION 自定义内核版本

为防止内核覆盖现有的 /lib/modules 中的模块，且在 uname 输出中表明你运行的是自定义内核，可以调整 LOCALVERSION。

要调整 LOCALVERSION，请修改 .config 文件的这一行：

CONFIG_LOCALVERSION="-v7l-MY_CUSTOM_KERNEL"

技巧

你也可以用 menuconfig 图形化修改此设置，路径为 General setup > Local version - append to kernel release。有关 menuconfig 的更多信息，请参阅内核配置说明。

构建

• 运行以下命令可编译 64 位内核：

  $ make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- Image modules dtbs

• 运行以下命令可编译 32 位内核：

  $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zImage modules dtbs

安装内核

内核编译完成后，你需要把内核复制到树莓派的启动介质（一般是存储卡和固态硬盘），然后安装模块。

找到你的启动介质

首先运行 lsblk。然后接入启动介质，再次运行 lsblk；新出现的设备就是你的启动介质。你将看到类似如下的输出：

sdb
   sdb1
   sdb2

如果 sdb 代表你的启动介质，sdb1 代表 启动分区（FAT32 格式），而 sdb2 代表（可能为 ext4 格式）根分区。

先将这些分区分别挂载到 mnt/boot、mnt/root，并根据实际的启动介质位置来调整分区字母：

$ mkdir mnt
$ mkdir mnt/boot
$ mkdir mnt/root
$ sudo mount /dev/sdb1 mnt/boot
$ sudo mount /dev/sdb2 mnt/root

安装

接下来，把内核模块安装到启动介质上：

• 对于 64 位内核：

  $ sudo env PATH=$PATH make -j12 ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- INSTALL_MOD_PATH=mnt/root modules_install

• 对于 32 位内核：

  $ sudo env PATH=$PATH make -j12 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- INSTALL_MOD_PATH=mnt/root modules_install

技巧

在多核设备上，参数 make -j<数量> 会把工作分配到多个核心，从而显著提高编译速度。可运行 nproc 查看你有多少处理器，我们建议使用的数字为处理器数量的 1.5 倍。

接下来，把内核和设备树文件安装到启动分区中，并备份下旧内核。

要安装 64 位内核：

• 运行以下命令可创建当前内核的备份镜像，安装新的内核镜像、叠加层文件、README 文件，然后卸载分区：

  $ sudo cp mnt/boot/$KERNEL.img mnt/boot/$KERNEL-backup.img
  $ sudo cp arch/arm64/boot/Image mnt/boot/$KERNEL.img
  $ sudo cp arch/arm64/boot/dts/broadcom/*.dtb mnt/boot/
  $ sudo cp arch/arm64/boot/dts/overlays/*.dtb* mnt/boot/overlays/
  $ sudo cp arch/arm64/boot/dts/overlays/README mnt/boot/overlays/
  $ sudo umount mnt/boot
  $ sudo umount mnt/root

要安装 32 位内核：

1. 运行以下命令可创建当前内核的备份镜像，然后安装新的内核镜像：

   $ sudo cp mnt/boot/$KERNEL.img mnt/boot/$KERNEL-backup.img
   $ sudo cp arch/arm/boot/zImage mnt/boot/$KERNEL.img

2. 根据你的内核版本，可运行以下命令安装设备树文件：

   • 对于 6.4 及以下版本的内核：

     $ sudo cp arch/arm/boot/dts/*.dtb mnt/boot/

   • 对于 6.5 及以上版本的内核：

     $ sudo cp arch/arm/boot/dts/broadcom/*.dtb mnt/boot/

3. 最后，安装叠加层文件和 README 文件，然后卸载分区：

   $ sudo cp arch/arm/boot/dts/overlays/*.dtb* mnt/boot/overlays/
   $ sudo cp arch/arm/boot/dts/overlays/README mnt/boot/overlays/
   $ sudo umount mnt/boot
   $ sudo umount mnt/root

最后，把启动介质接入你的树莓派，然后接入电源，运行你刚编译的内核。

技巧

你还以使用不同的文件名（例如 kernel-myconfig.img）来复制内核，而非直接覆盖文件 kernel.img。然后，编辑启动分区中的 config.txt 文件来选择你的内核：

kernel=kernel-myconfig.img

把这种方法与自定义 LOCALVERSION 结合使用，可将你的自定义内核与系统管理的标准内核镜像分开。在这种安排下，如果你的内核无法启动，你可以快速还原到标准内核。

配置内核

Linux 内核具有极高的可配置性。专业用户可能希望修改默认配置来满足他们的需求，如启用新的/实验性的网络协议，或支持新硬件。

配置一般通过 make menuconfig 界面进行。你也可以手动修改文件 .config，但这可能会更复杂。

准备配置

工具 menuconfig 需要 ncurses 开发头文件才能正确编译。要安装这些头文件，请运行以下命令：

$ sudo apt install libncurses5-dev

接下来，下载内核源代码。特别是，确保你已经安装了默认的本地配置/默认的交叉编译配置。

menuconfig

待一切准备就绪，你可以按如下方式编译和运行实用程序 menuconfig ：

$ make menuconfig

要交叉编译 64 位内核：

$ make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- menuconfig

要交叉编译 32 位内核：

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

要使用实用程序 menuconfig ，使用键盘操作：

• 使用 方向键 进行方向切换

• 要进入子菜单（由 ---> 指示），按 回车键

• 要返回上一级或退出，按两次 Esc 键

• 要切换二进制选项的状态，按 空格键

• 要选择多选项的状态，按 回车键 打开子菜单，使用 方向键 切换子菜单，再按 回车键 选择状态

• 要获取参数/菜单的帮助，按 H 键

在简短的编译之后，menuconfig 会显示一个带有所有可以配置选项的子菜单列表。参数很多，所以需要花点时间才能读完。请避免在第一次尝试时启用/禁用过多的选项；配置过程相对容易出错，所以从小处开始，以熟悉配置和构建过程。

保存更改

完成更改后，按 Esc 键 直到出现保存新配置的提示。在默认情况下，会保存到文件 .config。你可以通过复制此文件来保存和加载配置。

自定义完成后，你现在可以构建内核了。

打补丁

在构建自定义内核时，你可能希望将补丁/补丁集应用到 Linux 内核。

硬件制造商有时会提供补丁集，作为支持新硬件的临时措施，直到补丁被合并到 Linux 内核和树莓派内核中。然而，还有其他目的的补丁集，例如启用完全抢占的内核以用于实时应用。

确认你的内核版本

要检查当前运行在设备上的内核版本，运行以下命令：

$ uname -r

在应用补丁之前，始终检查你的内核版本。在内核源代码目录中，运行以下命令以查看内核版本：

$ head Makefile -n 4

你应会看到类似如下的输出：

# SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
VERSION = 6
PATCHLEVEL = 1
SUBLEVEL = 38

在这个实例中，源代码是针对 6.1.38 内核的。

打补丁

打补丁的方式取决于补丁的分发格式。

开发人员通常将大多数补丁以单个文件的形式分发。使用工具 patch 来打上这些补丁。以下命令可下载、解压并将实时内核补丁应用到我们的示例内核版本中：

$ wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/6.1/patch-6.1.38-rt13-rc1.patch.gz
$ gunzip patch-6.1.38-rt13-rc1.patch.gz
$ cat patch-6.1.38-rt13-rc1.patch | patch -p1

有些开发人员以 邮箱格式（mailbox format） 分发补丁，这是一种包含多个补丁文件的文件夹。可使用 Git 来应用这些补丁。

注意

在使用 Git 应用邮箱补丁之前，请为你的本地 Git 安装配置姓名和电子邮件：

$ git config --global user.name "your name"
$ git config --global user.email "your email"

要使用 Git 应用邮箱格式的补丁，请运行以下命令：

$ git am -3 /path/to/patches/*

始终按照补丁分发者提供的说明进行操作。例如，一些补丁集要求在特定提交基础上打补丁。

内核头文件

要编译内核模块，你需要 Linux 内核头文件。这些头文件提供了编译与内核接口的代码所需的函数和结构定义。

如果你从 GitHub 克隆了整个内核，头文件已经包含在源代码树中了。如果你不需要其他额外的文件，可以仅使用 apt 安装内核头文件。

技巧

当发布新内核时，你需要与该内核版本匹配的头文件。通过更新 apt 包来获取最新版内核可能需要几周时间。要下载最新版本的头文件，请克隆内核。

如果你使用的是 64 位版本的树莓派系统，请运行以下命令安装内核头文件：

$ sudo apt install linux-headers-rpi-v8

如果你使用的是 32 位版本的树莓派系统，请运行以下命令安装内核头文件：

$ sudo apt install linux-headers-rpi-{v6,v7,v7l}

注意

安装可能需要几分钟，没有进度指示工具。

贡献

你可能有很多理由想要将某些内容加入内核：

• 你编写了一些树莓派的特定代码，希望大家都能受益

• 你编写了一款通用的 Linux 内核驱动，希望大家都能使用

• 你修复了一项通用内核 bug

• 你修复了一项树莓派的特定内核 bug

对于树莓派特定的更改/bug 修复，可向树莓派内核提交一个 pull request。对于一般的 Linux 内核更改（例如新的驱动程序），请先向上游 Linux 内核提交 pull request。待 Linux 内核接受了你的更改，我们方可收到这些更改。

贡献到树莓派内核

首先，复刻树莓派内核仓库 并将其克隆到你的开发设备上。然后，你可以进行更改、测试，并将更改提交到你的复刻。

接下来，将涉及你更改的 pull request 提交到树莓派内核仓库。树莓派工程师会审查你的贡献并提出改进建议。一旦获得批准，我们就会将你的更改合并，最终这些更改会进入稳定版本的树莓派内核。

贡献到 Linux 内核

首先，将 Linux 内核树克隆到你的开发设备上。然后，你可以进行更改、测试，并将更改提交到你的本地树中。

若你的更改准备就绪，你可以把它提交给 Linux 内核社区。Linux 内核开发是在邮件列表（而非 GitHub）上进行的。为使你的更改成为 Linux 内核的一部分，请通过电子邮件将其作为补丁提交给社区。请遵循文档提交补丁：如何让你的改动进入内核和Linux 内核代码风格。Linux 内核贡献者会审查你的贡献并建议改进。获得批准后，他们会将你的更改合并。最后，这些更改会进入 Linux 内核的长期发布版本。通过树莓派内核的兼容性测试后，你的更改就会进入稳定版本的树莓派内核。