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从零构建一个能跑起来的ARM64最小系统：不只是“Hello World”

你有没有试过，只用几MB甚至更少的空间，让一块ARM64开发板真正启动起来？不是刷个现成镜像完事，而是亲手把代码、内核和根文件系统一砖一瓦地搭出来——这不仅是嵌入式工程师的基本功，更是理解操作系统如何“活过来”的最佳路径。

在工业控制、边缘网关、车载设备这些对资源敏感的场景里，标准Linux发行版动辄几百MB，启动几十秒，显然不现实。我们需要的是一个精简到骨子里的可引导系统：它体积小、启动快、攻击面窄，还能完全掌控每一个字节。

本文就带你一步步构建这样一个最小化ARM64可引导镜像——不讲空话，不堆术语，只聚焦一件事：怎么让它真正跑起来，并且你知道它是怎么跑的。

先搞清楚：我们到底在做什么？

想象一下，当你按下电源键，SoC里的Boot ROM开始执行第一条指令，然后加载U-Boot，再由U-Boot把内核拉进内存，最后跳转过去……整个过程就像一场接力赛。

而我们要做的，就是为这场“接力”准备每一棒的内容：

1. 交叉编译工具链—— 在x86主机上生成arm64代码；
2. 裁剪过的Linux内核—— 只保留最基础的功能；
3. 极简根文件系统（initramfs）—— 没有bash、没有systemd，只有一个/init脚本；
4. 设备树（DTB）—— 告诉内核硬件长什么样；
5. U-Boot引导程序—— 完成初始化并启动内核；
6. 最终打包成单一镜像—— 写入SD卡或Flash即可运行。

全程无需外部存储挂载，也不依赖网络，一切都在内存中完成。目标是：上电 → 打印一行“Hello”，然后停在那里——但你知道它已经是一个完整的Linux系统了。

工具准备：先建好厨房，再谈做饭

所有操作都在一台Ubuntu主机上进行（推荐20.04+），第一步永远是装好交叉编译工具链：

sudo apt install -y \ gcc-aarch64-linux-gnu \ make git cpio \ device-tree-compiler \ u-boot-tools

这条命令装齐了你需要的一切：
-aarch64-linux-gnu-gcc：用来编译arm64代码；
-make和git：基本构建工具；
-cpio：打包initramfs；
-dtc：编译设备树源文件（.dts → .dtb）；
-mkimage：给U-Boot镜像签名。

⚠️ 注意：不要混用不同版本的工具链。如果你追求一致性，建议使用Linaro官方发布的GCC工具链，或者直接基于Buildroot/Yocto环境构建。

第一步：编译一个“够用就行”的Linux内核

我们不需要USB、蓝牙、图形界面，甚至连模块都不需要加载。要的就是一个静态链接、压缩后能被U-Boot直接启动的镜像。

获取内核源码

git clone https://github.com/torvalds/linux.git cd linux

切换到稳定分支（比如v6.6）会更稳妥，但主线也完全可以：

git checkout v6.6

配置内核：从defconfig开始裁剪

先用树莓派4的默认配置打底（兼容性好，文档全）：

make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- defconfig

接着进入可视化菜单进一步裁剪：

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

关键裁剪项如下：

必须开启的关键选项：

CONFIG_EMBEDDED=y CONFIG_BLK_DEV_INITRD=y CONFIG_DEVTMPFS=y CONFIG_ARCH_BCM2835=y # 树莓派4专用 CONFIG_ARM64_VA_BITS_48=y CONFIG_CMDLINE="console=ttyAMA0,115200 earlyprintk root=/dev/ram"

特别是最后一行CMDLINE，它决定了内核启动参数——串口输出、early打印、根文件系统位置，缺一不可。

开始编译

make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- -j$(nproc) Image.gz dtbs

完成后你会得到两个核心产物：
-arch/arm64/boot/Image.gz：压缩后的内核镜像；
-arch/arm64/boot/dts/broadcom/bcm2711-rpi-4-b.dtb：树莓派4的设备树二进制。

记住它们的位置，后面要用。

第二步：做一个“只有/init”的根文件系统

真正的“最小系统”连BusyBox都不需要。我们可以手动写一个/init脚本，让它干完事就停下来。

创建目录结构

mkdir initramfs cd initramfs mkdir {bin,sbin,etc,proc,sys,dev}

编写/init脚本

cat > init << 'EOF' #!/bin/sh # 挂载必要的伪文件系统 mount -t proc none /proc mount -t sysfs none /sys mount -t devtmpfs none /dev echo "" echo "👋 Welcome to Minimal ARM64 Linux" echo "Kernel: $(uname -r)" echo "Time: $(date)" echo "" # 启动shell，如果没有，则循环防止退出 if [ -x /sbin/init ]; then exec /sbin/init else echo "No /sbin/init. Dropping to shell..." exec sh fi EOF chmod +x init

这个脚本做了三件事：
1. 挂载/proc,/sys,/dev—— 这是几乎所有程序运行的基础；
2. 输出欢迎信息；
3. 尝试执行/sbin/init，失败则降级到shell。

即使你不放任何用户程序，系统也不会崩溃。

打包成initramfs

find . | cpio -o -H newc | gzip > ../initramfs.cpio.gz

现在你有了一个纯内存运行的根文件系统。下一步就是把它塞进内核。

把initramfs嵌入内核

回到内核源码目录，打开.config文件，添加或修改这一行：

CONFIG_INITRAMFS_SOURCE="../initramfs.cpio.gz"

然后重新编译一次内核：

make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- -j$(nproc) Image.gz

这次生成的Image.gz已经自带根文件系统了，U-Boot只要加载它，就能一键启动整个系统！

第三步：配置U-Boot，让它自动跑起来

U-Boot是那个“唤醒内核的人”。我们需要它完成以下任务：

• 初始化DRAM；
• 设置串口以便看到输出；
• 加载内核和DTB到指定地址；
• 自动执行启动命令，无需人工干预。

下载U-Boot源码

git clone https://source.denx.de/u-boot/u-boot.git cd u-boot git checkout v2024.01 # 推荐稳定版本

使用官方defconfig

以树莓派4为例：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- rpi_4_defconfig

修改自动启动命令

编辑include/configs/rpi.h或通过Kconfig设置：

#define CONFIG_BOOTCOMMAND \ "setenv bootargs console=ttyAMA0,115200 earlyprintk root=/dev/ram;" \ "load mmc 0:1 ${kernel_addr_r} Image.gz;" \ "load mmc 0:1 ${fdt_addr_r} bcm2711-rpi-4-b.dtb;" \ "fdt addr ${fdt_addr_r};" \ "booti ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r};"

解释一下这几个变量：
-${kernel_addr_r}=0x80080000：内核解压后存放地址；
-${fdt_addr_r}=0x80000000：设备树加载地址；
-mmc 0:1表示从SD卡第一个分区读取文件。

你也可以把这些写成U-Boot脚本保存在环境变量中，但我们这里追求极致简单，直接硬编码。

编译U-Boot

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- -j$(nproc)

生成的主要文件：
-u-boot.bin：主镜像；
- 若启用SPL，还有spl/u-boot-spl.bin。

对于树莓派4，可以直接将u-boot.bin放在FAT格式的SD卡根目录，配合config.txt引导即可。

最终整合：做一个能烧录的完整镜像

到现在为止，我们有三个关键组件：
1. U-Boot（放在启动分区）
2. 内核镜像Image.gz
3. 设备树bcm2711-rpi-4-b.dtb

可以把它们打包成一个完整的磁盘镜像，方便批量部署。

创建一个16MB的空白镜像

dd if=/dev/zero of=system.img bs=1M count=16

分区：第一区放U-Boot和内核，第二区备用

parted system.img mklabel msdos parted system.img mkpart primary fat32 1MiB 16MiB parted system.img set 1 boot on

格式化并挂载

mkfs.vfat system.img.part1 sudo losetup -Pf --show system.img # 映射为loop设备 sudo mount /dev/loop0p1 /mnt

复制文件

sudo cp u-boot.bin /mnt/ sudo cp linux/arch/arm64/boot/Image.gz /mnt/ sudo cp linux/arch/arm64/boot/dts/broadcom/bcm2711-rpi-4-b.dtb /mnt/

写入U-Boot到镜像开头（偏移0）

dd if=u-boot.bin of=system.img conv=notrunc seek=1

这样U-Boot SPL就能在通电时正确加载它。

卸载并清理

sudo umount /mnt sudo losetup -d /dev/loop0

现在你可以用dd把这个system.img写入SD卡：

sudo dd if=system.img of=/dev/sdX bs=1M status=progress

插入树莓派4，串口连上，通电——你应该能看到熟悉的U-Boot提示符，然后迅速跳转到Linux，打出那句“Welcome”。

常见坑点与调试秘籍

别以为做完就能一次成功。以下是我在实际调试中踩过的坑：

❌ 串口没输出？检查这几项：

• 串口线是否接对（TX→RX，GND共地）；
• 波特率是否一致（通常是115200）；
• 内核命令行是否有console=参数；
• U-Boot是否启用了串口驱动（CONFIG_DEBUG_UART有时能救命）。

❌ 内核卡住不动？

查看U-Boot传参：

=> printenv bootargs

确认是console=ttyAMA0,115200而不是ttyS0或其他名字。

❌ 提示“No filesystem could mount root”？

说明initramfs没生效。检查：
-CONFIG_INITRAMFS_SOURCE是否指向正确的.cpio.gz；
- 是否重新编译了内核；
- 文件路径是否绝对/相对错误。

❌ U-Boot无法加载Image.gz？

注意：有些旧版U-Boot不支持gzip压缩的Image，需使用mkimage封装：

mkimage -A arm64 -O linux -T kernel -C gzip \ -a 0x80080000 -e 0x80080000 \ -d Image.gz uImage

然后U-Boot改用bootm命令加载uImage。

不过现代U-Boot普遍支持booti直接解压启动，推荐优先使用。

进阶思路：这个最小系统还能怎么玩？

一旦你能让系统跑起来，接下来的扩展空间非常大：

✅ 替换/init为 C 程序

写个简单的C程序作为init：

#include <stdio.h> #include <unistd.h> int main() { printf("Custom init running...\n"); while(1) pause(); }

静态编译后放进initramfs，取代shell脚本，体积更小，行为更可控。

✅ 集成轻量守护进程

加入一个微型HTTP服务器（如mongoose）、Modbus客户端或MQTT上报器，瞬间变成物联网终端原型。

✅ 启用安全启动

结合Arm Trusted Firmware（ATF）和U-Boot Secure Boot，实现镜像签名验证，防止恶意篡改。

✅ 构建自动化CI流程

用GitHub Actions或Jenkins实现每日构建，每次提交自动生成新镜像并测试启动。

写在最后：掌握底层，才能真正自由

很多人觉得“我会用Docker、会配Yocto”就够了，但当你遇到一个板子死活启动不了、串口黑屏、内核卡在某个阶段的时候，你会发现——真正救你的，是你亲手走过一遍的这条路。

构建最小化ARM64系统，不是为了炫技，而是为了建立一种“全栈掌控感”：你知道每一段代码何时被执行，每一个寄存器何时被设置，每一次跳转意味着什么。

当你能在16MB里放下一个完整的Linux系统，并且知道它为什么能运行，你就不再是工具的使用者，而是系统的缔造者。

如果你正在做智能网关、工控终端、无人机飞控或车载设备，这种能力会让你的设计更加高效、可靠、安全。而这一切，都始于一个最简单的/init脚本和一句“Hello”。

📢动手试试吧！评论区告诉我你第一次看到“Welcome to Minimal ARM64 Linux”出现在串口终端时的心情。