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移植Linux：如何制作rootfs？

news 来源：原创 2024/9/21 9:52:03

一、分析

1. 文件系统简介

       理论上说一个嵌入式设备如果内核能够运行起来，且不需要运行用户进程的话，是不需要文件系统的，文件系统简单的说就是一种目录结构，由于 linux操作系统的设备在系统中是以文件的形式存在，将这些文件进行分类管理以及提供和内核交互的接口，就形成一定的目录结构也就是文件系统，文件系统是为用户反映系统的一种形式，为用户提供一个检测控制系统的接口。

根文件系统，我认为根文件系统就是一种特殊的文件系统,那么根文件系统和普通的文件系统有什么区别呢？

       由于根文件系统是内核启动时挂在的第一个文件系统，那么根文件系统就要包括Linux启动时所必须的目录和关键性的文件；

     例如Linux启动时都需要有init目录下的相关文件，在 Linux挂载分区时Linux一定会找/etc/fstab这个挂载文件等，根文件系统中还包括了许多的应用程序bin目录等，任何包括这些Linux 系统启动所必须的文件都可以成为根文件系统。

     Linux支持多种文件系统，包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、yaffs、romfs和nfs等，为了对各类文件系统进行统一管理，Linux引入了虚拟文件系统VFS(Virtual File System)，为各类文件系统提供一个统一的操作界面和应用编程接口。

    Linux启动时，第一个必须挂载的是根文件系统；若系统不能从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。

   不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据存储设备的硬件特性、系统需求等有不同的应用场合。在嵌入式Linux应用中，主要的存储设备为 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存储器)，常用的基于存储设备的文件系统类型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs,ramdisk, ramfs/tmpfs等。

2.    基于FLASH的文件系统

2.1 Cramfs：Compressed ROM File System

    •它的速度快，效率高，其只读的特点有利于保护文件系统免受破坏，提高了系统的可靠性。由于以上特性，Cramfs在嵌入式系统中应用广泛。

    但是它的只读属性同时又是它的一大缺陷，使得用户无法对其内容对进行扩充。Cramfs映像通常是放在Flash中。

2.2 jffs2

   •Jffs2: 日志闪存文件系统版本2 (Journalling Flash FileSystem v2)

   •主要用于NOR型闪存，基于MTD驱动层，特点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃/掉电安全保护，提供“写平衡”支持等。

  •缺点主要是当文件系统已满或接近满时，因为垃圾收集的关系而使jffs2的运行速度大大放慢。jffs不适合用于NAND闪存主要是因为NAND闪存的容量一般较大，这样导致jffs为维护日志节点所占用的内存空间迅速增大，另外，jffs 文件系统在挂载时需要扫描整个FLASH的内容，以找出所有的日志节点，建立文件结构，对于大容量的NAND闪存会耗费大量时间。

2.3.yaffs：Yet Another Flash File System

   •yaffs/yaffs2是专为嵌入式系统使用NAND型闪存而设计的一种日志型文件系统。与jffs2相比，它减少了一些功能(例如不支持数据压缩)，所以速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小。另外，它还是跨平台的文件系统，除了Linux和eCos，还支持WinCE, pSOS和ThreadX等。yaffs/yaffs2自带NAND芯片的驱动，并且为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的API，用户可以不使用Linux中的MTD与 VFS，直接对文件系统操作。当然，yaffs也可与MTD驱动程序配合使用。

   •yaffs与yaffs2的主要区别在于，前者仅支持小页(512 Bytes) NAND闪存，后者则可支持大页(2KB) NAND闪存。同时，yaffs2在内存空间占用、垃圾回收速度、读/写速度等方面均有大幅提升。

2.4. 网络文件系统NFS (Network File System)

    NFS是由Sun开发并发展起来的一项在不同机器、不同操作系统之间通过网络共享文件的技术。

在嵌入式Linux系统的开发调试阶段，可以利用该技术在主机上建立基于NFS的根文件系统，挂载到嵌入式设备，可以很方便地修改根文件系统的内容。

所采用的工具：mkfs.cramfs,mkfs.jffs2,mkfs.yaffs

http://sourceforge.net/projects/cramfs/
http://sourceforge.net/projects/jffs2os/
http://sourceforge.net/projects/yaffs/

二、根文件系统的组成

1. 根文件系统目录内容简介

  • bin  :基本的可执行文件

  • opt  :添加的软件包

  • boot :启动时需要的一些文件

  • proc :内核及进程信息的虚拟文件系统

  • dev : 设备文件

  • root:root用户目录

  • etc: 系统配置文件

  • sbin:系统管理的程序

  • home : 用户目录

  • tmp : 临时文件

  • lib : 库文件

  • usr : 应用程序

  • mnt : 挂载文件系统的挂载点

  • var : 存放系统日志或一些服务程序的临时文件

2. 嵌入式环境需要移植的目录

根文件系统中的每一个顶级目录都有特定的用途和目的 ,但并不是所有的目录在嵌入式环境下都需要，我们只创建需要的一些目录:

 /bin /sbin  /etc /proc  /tmp  /var /dev  /mnt

Linux根文件系统至少应包括以下几项内容。

  1. 基本的文件系统结构，包含一些必需的目录比如：/dev，/proc，/bin，/etc，/lib，/usr，/tmp等。

  2. 基本程序运行所需的库函数，如glibc。

  3. 基本的系统配置文件，比如rc.sysinit，inittab等脚本文件。

  4. 必要的设备文件支持：/dev/hd*，/dev/tty*，/dev/fd0。

  5. 基本的应用程序，如sh，ls，cp，mv等。

3. 移植需要做的工作

  1. 把全局配置文件放入/etc目录下。

  2. 将设备文件信息放入/dev目录下，设备名可以作为符号链接定位在/dev中或/dev子目录中的其他设备存在。

  3. 操作系统核心定位在/或/boot，若操作系统核心不是作为文件系统的一个文件存在，不应用它。

  4. 库存放的目录是/lib。

  5. 存放系统编译后的可执行文件、命令的目录是/bin，/sbin，/usr。

三、 默认预置条件

1） 交叉编译工具

需要预先安装好交叉编译器 ，一口君安装版本是：arm-none-linux-gnueabi-gcc 默认在ubuntu中安装目录是：

/home/peng/toolchain/gcc-4.6.4/
2） tftp服务器

开发板下载内核镜像和设备树需要借助tftp服务器，配置信息如下：

peng@ubuntu:~$ cat /etc/default/tftpd-hpa 
# /etc/default/tftpd-hpaTFTP_USERNAME="tftp"
TFTP_DIRECTORY="/tftpboot"
TFTP_ADDRESS="0.0.0.0:69"
TFTP_OPTIONS="--secure"

服务器根目录是**/tftpboot**

3） nfs服务器

内核启动后挂载文件系统需要通过nfs服务器，nfs服务器设置如下：

peng@ubuntu:~$ cat /etc/exports 
# /etc/exports: the access control list for filesystems which may be exported
#  to NFS clients.  See exports(5).
#
# Example for NFSv2 and NFSv3:
# /srv/homes       hostname1(rw,sync,no_subtree_check) hostname2(ro,sync,no_subtree_check)
#
# Example for NFSv4:
# /srv/nfs4        gss/krb5i(rw,sync,fsid=0,crossmnt,no_subtree_check)
# /srv/nfs4/homes  gss/krb5i(rw,sync,no_subtree_check)
#
/source/rootfs *(rw,sync,no_subtree_check)

四、文件系统制作步骤

1、 源码下载

我们选择的版本是busybox-1.22.1.tar.bz2下载路径为：

http://busybox.net/downloads/

2、 解压源码

$ tar  xvf  busybox-1.22.1.tar.bz2

3、 进入源码目录

$ cd  busybox-1.22.1

4、 配置源码

选择制作静态库，并设置交互编译工具链的前缀arm-none-linux-gnueabi-如果是其他工具链，按照例子填写即可。

$ make menuconfig
Busybox Settings ---> Build Options --->[*] Build BusyBox as a static binary (no shared libs)[ ] Force NOMMU build[ ] Build with Large File Support (for accessing files > 2 GB)(arm-none-linux-gnueabi-) Cross Compiler prefix() Additional CFLAGS

5、 编译

$ make

6、 安装

busybox默认安装路径为源码目录下的_install

$ make  install 

7、 进入安装目录下

默认创建以下4个文件或者文件夹

$ cd  _install
$ ls
bin  linuxrc  sbin  usr

8、 创建其他需要的目录

$ mkdir  dev  etc  mnt  proc  var  tmp  sys  root 

9、 添加库

我们安装的交叉工具链中有我们所需要的可以在开发板上使用的库， 将其拷贝到_install目录下即可：

$ cp  /home/linux/toolchain/gcc-4.6.4/arm-arm1176jzfssf-linux-gnueabi/lib/  .  -a

修改文件权限并删除静态库和共享库文件中的符号表

$chmod  +w  lib
$chmod  +w  lib/*
$ rm  lib/*.a
$ arm-none-linux-gnueabi-strip  lib/*

删除不需要的库，确保所有库大小不超过8M

$ du  -mh   lib/

10、 添加系统启动文件

在etc下添加文件inittab，文件内容如下：

#this is run first except when booting in single-user mode.
::sysinit:/etc/init.d/rcS
# /bin/sh invocations on selected ttys
# start an "askfirst" shell on the console (whatever that may be)
::askfirst:-/bin/sh
# stuff to do when restarting the init process
::restart:/sbin/init
# stuff to do before rebooting
::ctrlaltdel:/sbin/reboot

在etc下添加文件fstab，文件内容如下：

#device     mount-point   type      options         dump     fsck order
proc       /proc         proc      defaults       0       0
tmpfs      /tmp         tmpfs     defaults          0           0
sysfs      /sys          sysfs     defaults         0           0
tmpfs      /dev         tmpfs     defaults          0           0

【注意】这里我们挂载的文件系统有三个proc、sysfs和tmpfs。在内核中proc和sysfs默认都支持，而tmpfs是没有支持的，我们需要确保内核有tmpfs的支持。

修改内核配置：

$ make menuconfig
File systems --->Pseudo filesystems ---> [*] Virtual memory file system support (former shm fs)[*] Tmpfs POSIX Access Control Lists

重新编译内核

在etc下创建init.d目录，并在init.d下创建rcS文件，rcS文件内容为：

#!/bin/sh
# This is the first script called by init process
/bin/mount  -a  挂载fstab制定的所有文件系统
echo  /sbin/mdev  >  /proc/sys/kernel/hotplug
/sbin/mdev  -s

为rcS添加可执行权限：

$ chmod   +x  init.d/rcS

在etc下添加profile文件，文件内容为：

#!/bin/sh
export HOSTNAME=farsight
export USER=root
export HOME=root
export PS1="[$USER@$HOSTNAME \W]\# "
PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin
LD_LIBRARY_PATH=/lib:/usr/lib:$LD_LIBRARY_PATH
export PATH  LD_LIBRARY_PATH
mknod dev/console c  5  1    该文件节点是必须的

重要：新制作的文件系统尺寸若超出8M，删除不需要的库文件，比如c++库等。

11. 测试

制作完毕的根文件系统可以让开发板启动后通过nfs挂载到ubuntu中，

     1、删除原先的/source/rootfs

$ sudo  rm  -rf  /source/rootfs 

    2、将我们新建的根文件系统拷贝到/source/rootfs目录下

$sudo  mkdir  /source/rootfs
$ sudo  cp  _install/*   /source/rootfs   –a

 

    3、设置uboot环境变量

# setenv serverip 192.168.9.120
# setenv ipaddr 192.168.9.233
# setenv bootcmd tftp 41000000 uImage\;tftp 42000000 exynos4412-fs4412.dtb\;bootm 41000000  –  42000000
#setenv bootargs root=/dev/nfs nfsroot=192.168.9.120:/source/rootfs rw console=ttySAC2,115200  init=/linuxrc  ip=192.168.9.233
# saveenv

重新启动开发板，查看是否能够正常挂载，功能是否正常

图片

五、制作ramdisk文件系统

通过NFS测试以后，就可以制作ramdisk文件系统了，具体如下：

1、制作一个大小为8M的镜像文件

 $ cd  ~
$ dd  if=/dev/zero  of=ramdisk  bs=1k  count=8192 （ramdsik为8M）If: input fileOf: output file

2、格式化这个镜像文件为ext2

$ mkfs.ext2  -F  ramdisk

3、在mount下面创建initrd目录作为挂载点

$ sudo  mkdir  /mnt/initrd

4、将这个磁盘镜像文件挂载到/mnt/initrd下

注意这里的ramdisk不能存放在rootfs目录中

$ sudo  mount  -t  ext2   ramdisk  /mnt/initrd

5、将测试好的文件系统里的内容全部拷贝到 /mnt/initrd目录下面

$ sudo  cp  /source/rootfs/*   /mnt/initrd  –a

如果拷贝遇到错误，需要再次删除不需要的库，比如c++库

6、卸载/mnt/initrd

$ sudo  umount  /mnt/initrd

7、压缩ramdisk为ramdisk.gz

$ gzip  --best  -c  ramdisk  >  ramdisk.gz

8、格式化为uboot识别的格式并拷贝到/tftpboot下

$ mkimage -n "ramdisk" -A arm -O linux -T ramdisk -C gzip  -d ramdisk.gz  ramdisk.img
$ cp  ramdisk.img  /tftpboot

9、配置内核支持RAMDISK

制作完 initrd.img.gz后，需要配置内核支持RAMDISK作为启动文件系统

make menuconfig
File systems  ---><*> Second extended fs support
Device DriversSCSI device support  ---><*> SCSI disk supportBlock devices  ---><*>RAM  block  device  support   (16)Default number of RAM disks  (8192) Default RAM disk size (kbytes)   (修改为8M) 
General setup  --->[*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support

重新编译内核，复制到/tftpboot

10、在U-BOOT命令行重新设置启动参数：

# setenv bootcmd tftp 41000000 uImage\;tftp 42000000 exynos4412-fs4412.dtb\;tftp 43000000  ramdisk.img\;bootm 41000000 43000000 42000000
# saveenv

重新启动开发板查看能否正常启动

【注意】 因为各个开发板命令会有所差异，uboot命令的设置要厂家出厂的手册操作

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