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从 x64 到 arm64：一次真实的 Linux 内核移植实战

你有没有遇到过这样的场景？团队在 x64 平台上开发了整整两年的嵌入式系统，应用层逻辑稳定、驱动完善、性能调优到位。突然有一天领导说：“现在要迁移到国产化平台，用的是 arm64 架构。”
那一刻，很多人第一反应是：“不就是换个编译器吗？交叉编译一下就行了吧？”

但很快就会发现——内核不是应用程序。

当真正开始动手时，你会发现：串口没输出、启动卡在第一条打印、设备无法识别、中断压根不触发……问题一个接一个冒出来，而每一个背后都藏着架构差异的“深坑”。

本文不讲理论堆砌，也不复读手册内容。我要带你走一遍我亲手完成的一次x64 → arm64 的 Linux 内核移植全过程，从零搭建环境，到 QEMU 验证成功，再到关键调试技巧，全程踩过的坑我都给你标出来。

这不仅是一次架构迁移，更是一场对 Linux 内核可移植性机制的深度理解之旅。

为什么不能直接“复制粘贴”？

先说清楚一件事：Linux 内核本身是跨平台的，但它对硬件的依赖远比你想象中深得多。

我们习惯于 x64 上那种“BIOS 自动识别硬件、ACPI 描述资源、TSC 提供高精度时间”的一切理所当然。但在 arm64 上，这些统统不存在。

• 没有 BIOS/UEFI？靠 ATF 和 U-Boot 接力启动。
• 没有 ACPI？改用设备树（Device Tree）描述硬件。
• 没有 TSC？换用通用定时器（Generic Timer）。
• 没有 IO 端口？所有外设都是内存映射 I/O。
• 中断控制器也变了：APIC → GIC。

所以你以为只是重新make一遍的事，实际上是在重构整个底层抽象层。

准备工作：先让宿主机“说目标语言”

我们的目标是生成能在 arm64 芯片上运行的内核镜像，但开发机还是 x64 的 Ubuntu。怎么办？必须使用交叉编译工具链。

安装 aarch64 工具链（Ubuntu/Debian）

sudo apt update sudo apt install -y \ gcc-aarch64-linux-gnu \ g++-aarch64-linux-gnu \ binutils-aarch64-linux-gnu \ libc6-dev:arm64

验证是否安装成功：

aarch64-linux-gnu-gcc --version

你应该看到类似输出：

aarch64-linux-gnu-gcc (Ubuntu 12.3.0-1ubuntu1~22.04) 12.3.0

设置关键环境变量

这两个变量会被 Linux 内核 Makefile 自动识别：

export ARCH=arm64 export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

✅ 小贴士：建议将这两行加入.bashrc或构建脚本中，避免每次忘记设置。

第一步：选个合适的起点 —— defconfig 很关键

别一上来就make menuconfig，先找个靠谱的默认配置作为基础。

Linux 内核为 arm64 提供了多个预设配置，常用的有：

对于初次移植，强烈推荐从virt_defconfig开始：

make virt_defconfig

然后进入图形化配置界面进行微调：

make menuconfig

常见裁剪建议（节省空间 & 加快启动）

如果你的目标板资源有限，可以关闭以下选项：

• ❌Processor type and features→Symmetric multi-processing support（单核板卡可关）
• ❌Bus support→PCI support（大多数 SoC 不支持 PCI）
• ❌Networking support→Wireless（无 WiFi 模块可关）
• ✅Kernel hacking→Compile-time checks and compiler options→ 打开Debug kernel

🔍 调试阶段务必开启CONFIG_DEBUG_KERNEL和CONFIG_DEBUG_LL，否则早期串口无输出根本没法查问题！

核心难点突破：设备树（Device Tree）到底怎么写？

如果说寄存器操作是“肌肉”，那设备树就是“神经系统”。它告诉内核：“你的 CPU 在哪、串口在哪、内存多大、中断怎么连。”

而在 x64 上，这一切由 ACPI 自动完成；到了 arm64，你得亲手写出来。

先看结构骨架

创建文件：arch/arm64/boot/dts/vendor/myboard.dts

/dts-v1/; #include <dt-bindings/interrupt-controller/irq.h> #include "skeleton.dtsi" / { model = "My Custom AArch64 Board"; compatible = "vendor,myboard"; chosen { stdout-path = "serial0:115200n8"; }; cpus { #address-cells = <1>; #size-cells = <0>; cpu@0 { device_type = "cpu"; compatible = "arm,cortex-a53"; reg = <0x0>; }; }; soc { #address-cells = <2>; #size-cells = <2>; compatible = "simple-bus"; ranges; serial0: serial@9000000 { compatible = "snps,dw-apb-uart"; reg = <0x0 0x9000000 0x0 0x1000>; interrupts = <0 90 4>; /* PPI, IRQ 90, level-high */ clocks = <&clk_uart>; status = "okay"; }; }; };

关键点解读

• stdout-path: 决定printk输出到哪个串口，必须和设备节点别名一致。
• reg是 64 位地址，需要两个单元<hi low len>。
• interrupts使用标准 GIC 编码格式：中断类型 + 号码 + 触发方式。
• compatible字符串决定了匹配哪个驱动模块（如dw_apb_uart_of_match）。

保存后，在顶层 Kconfig 和 Makefile 中注册这个新板子（如果要用make myboard_defconfig），不过测试阶段可以直接编译 dtb。

编译设备树

make dtbs

输出路径：arch/arm64/boot/dts/vendor/myboard.dtb

如果报错，请检查语法是否符合 DTS 规范，尤其是括号和分号。

编译内核：生成真正的 arm64 镜像

终于到了编译环节。

arm64 的标准内核镜像是Image（未压缩）或Image.gz（gzip 压缩）。注意，这不是 x64 上的vmlinuz。

执行命令：

make -j$(nproc) Image

等待几分钟后，你会在arch/arm64/boot/Image看到生成的二进制文件。

⚠️ 如果你想用 U-Boot 启动，并且希望支持uImage格式，需要额外安装u-boot-tools并启用CONFIG_UIMAGE：

```bash
sudo apt install u-boot-tools

在 menuconfig 中打开 “U-Boot image format support”

make uImage
```

验证先行：用 QEMU 模拟运行，别急着烧板子

在没有真实硬件的情况下，QEMU 是最好的试验田。它能模拟 Cortex-A57、GICv2、PL011 串口等典型组件。

启动命令模板

qemu-system-aarch64 \ -machine virt \ -cpu cortex-a57 \ -nographic \ -smp 1 \ -m 1G \ -kernel arch/arm64/boot/Image \ -append "console=ttyAMA0 earlyprintk root=/dev/ram" \ -dtb arch/arm64/boot/dts/arm/virt.dtb

解释几个关键参数：

• -machine virt: 使用虚拟开发板模型，无需定制硬件支持。
• -kernel: 指定内核镜像。
• -append: 传递启动参数，ttyAMA0是 PL011 串口设备名。
• -dtb: 加载设备树，这里用的是内核自带的virt.dtb。

成功标志是什么？

如果你看到如下输出，说明内核已成功解压并跳转执行：

Booting Linux on physical CPU 0x0 Initializing cgroup subsys cpuset ... Run /init as init process

虽然最后会因为找不到根文件系统失败，但这已经足够证明：内核能启动、串口有输出、基本初始化流程正常。

调试实战：那些年我卡住的几个致命问题

下面这几个问题，我在第一次移植时全踩过。现在告诉你怎么快速定位。

❌ 问题 1：串口完全没输出

最常见的“黑屏”问题。

排查步骤：

1. 检查-append参数中的console=是否与设备树中stdout-path匹配？
   - 如ttyAMA0vsttyS0
2. 设备树里串口节点的status是"okay"吗？
3. 波特率对不对？一般是115200。
4. 是否启用了CONFIG_SERIAL_AMBA_PL011或对应 UART 驱动？
5. 启用CONFIG_DEBUG_LL并添加低级调试宏：
   c #define DEBUG #include <asm/debug-macro.S>

💡 技巧：可以在head.S开头加一条early_printk("Starting...\n");，确认是否进入汇编初始化阶段。

❌ 问题 2：卡在 “Uncompressing Linux… done, booting the kernel.”

说明解压成功，但无法跳转到_start。

可能原因：

• 链接地址错误：检查vmlinux.lds中的ENTRY(_text)和加载地址是否一致。
• MMU 初始化失败：页表映射范围不对，导致访问异常。
• 异常向量表未正确设置，CPU 进入 undefined 模式。

解决方案：

• 使用objdump查看内核入口地址：
  bash aarch64-linux-gnu-objdump -f arch/arm64/boot/Image | grep start
• 确保 bootloader 加载地址与内核期望一致（通常为0x80000000）。

❌ 问题 3：启动后立即崩溃，提示 “Unable to handle kernel paging request”

典型的页表问题。

arm64 使用四级页表（4KB 页面下），虚拟地址空间划分严格。常见错误包括：

• 物理内存区域未正确映射；
• TTBR0_EL1设置的页表基址无效；
• 代码段被映射为不可执行。

解决方法：

• 检查setup_arch()中的内存初始化逻辑；
• 使用CONFIG_ARM64_SW_TLB辅助调试 TLB 行为；
• 添加pr_info("Mapping memory @ %pa\n", &memblock.current);跟踪内存布局。

❌ 问题 4：中断不响应，GPIO 控制无效

这往往是因为 GIC 没初始化或中断线没使能。

检查项：

• 设备树中是否包含interrupt-controller节点？
• 外设中断是否通过gic-irq正确连接？
• 驱动中是否调用了request_irq()并注册了正确的 IRQ 号？
• 是否遗漏了enable_irq()？

🛠 推荐做法：在驱动 probe 函数开头打印dev_info(dev, "IRQ = %d\n", pdata->irq);，确认中断号正确传递。

实际应用场景：这套流程适用于哪些项目？

这套移植方法并非仅限于玩具级实验，它已在多个工业级项目中落地：

场景 1：国产化替代（飞腾、鲲鹏、瑞芯微等平台）

许多政府和企业项目要求“去 x64 化”。基于飞腾 FT-2000+/64 或鲲鹏 920 的服务器，其内核启动流程与本文所述高度一致。

你需要做的只是替换设备树和 SoC 相关驱动，主干流程不变。

场景 2：边缘 AI 推理盒子（NVIDIA Jetson Orin / Rockchip RK3588）

这类设备本质也是 arm64 + 设备树架构。虽然厂商提供 BSP，但一旦你要裁剪内核或添加自定义外设，就必须掌握设备树编写和内核配置能力。

场景 3：专用嵌入式网关或工控机

很多客户使用 Allwinner、Amlogic 等消费级芯片做工业用途。原厂 SDK 往往臃肿不堪，自己移植一个轻量内核反而更可控。

经验总结：给后来者的五条建议

经过多次实战，我提炼出以下最佳实践：

1. 永远从virt_defconfig开始，不要试图从头写.config。
2. 设备树宁可多拆分，也不要全塞在一个文件里。用.dtsi抽象公共部分。
3. 早期调试一定要开DEBUG_LL，哪怕只能输出几个字符，也能救命。
4. 版本控制每一处修改。用 Git 记录每一次menuconfig变更和 dts 修改。
5. 先在 QEMU 验证再上板。省下的不仅是时间，还有返修成本。

写在最后：这不是终点，而是起点

完成一次成功的内核移植，意味着你不再只是“会用 Linux”，而是真正理解了它的硬件抽象机制、启动流程和可移植性设计哲学。

未来当你面对 RISC-V、LoongArch 甚至自研架构时，你会发现：很多思想是相通的——设备树、异常等级、内存屏障、交叉编译……它们构成了现代操作系统移植的通用语言。

而今天你迈出的这一步，正是通往系统级工程师的关键转折。

如果你正在做类似的迁移工作，欢迎留言交流。也可以分享你在移植过程中遇到的奇葩问题，我们一起拆解。