05_构建根文件系统 - Linux 嵌入式开发

文件系统是对一个存储设备上的数据和元数据进行组织的机制，根文件系统是Linux内核启动时所挂载的第一个文件系统。对于一个可启动的Linux系统，根文件系统是其不可或缺的一部分。笔者此处就根文件系统的构建作一个简单的介绍。

1、根文件系统概述

Linux系统为了精简以及便于维护，分成了内核空间和用户空间。Linux内核由内存管理、进程管理、设备驱动程序、网络管理等组成，它是操作系统的核心，具有很多最基本的功能，决定了系统的性能和稳定性。用户空间的文件系统用来提供管理系统的各种配置，提供相应的应用程序、服务、数据交换等。文件系统作为一种载体，它是用来实现用户与操作系统内核的交互。

Linux内核启动完成之后，会尝试执行用户空间的第一个程序：init进程（用户空间根据这个进程，派生出其它的用户子进程）。由于内核空间与用户空间的分离，Linux内核必须要有一定的方法去加载执行用户空间的init进程，通常Linux内核会在根文件系统相应的目录去尝试执行这个用户进程，如果未能加载执行，则内核panic。因此，一个可启动的Linux系统必须包含Linux内核以及一个根文件系统。

2、构建最简单的根文件系统

根文件系统可以有不同的文件系统类型，如yaffs、网络文件系统NFS、initramfs等，也可以在不同的存储设备上，如nandflash、sd/mmc、u盘等。

此处以initramfs为例说明根文件系统的构建。initramfs是一个ram文件系统，在initrd技术问题背景下，所提出一种更简单、更高效的新的处理方式。基于内存的文件系统，往往只是做为一种过渡手段，用来挂载系统真正的根文件系统，但对于很多嵌入式系统来说，initramfs往往也是最终的文件系统。

如前面所述，Linux内核启动到最后会尝试加载执行根文件系统里的init用户程序，因此根文件系统里只要给内核提供init可执行文件，转到用户空间，Linux系统则算启动成功。

此处编写一个简单的init应用程序 Hello World ：

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

int main(void)
{
    int i;
    i = 0;

    while(1)
    {
        printf("Hello world %d\n", i);
        sleep(1);
        i++;
    }
}

此处可用宿主机gcc进行编译执行以验证代码效果，然后用 arm-linux-gcc 静态编译，使之生成arm CPU可执行的指令，并且可脱离任何库独立运行：

arm-linux-gcc -static -o init init.c

生成init可执行文件，用readelf命令查看确保生成的init可执行文件为armv5指令集，软浮点(s3c2416)。

在PC机上的根目录/root/rootfs/目录下创建一个example文件夹用作为根文件系统目录，把init可执行文件放在example目录下，由于用printf打印，需要使用控制台(console)，因为还需要控制台设备文件，所以此时我们需要创建dev目录，在dev目录下创建console设备节点：

#假设当前在dev目录下了:
mknod console c 5 1

通过下图可以看出创建设备节点前后的区别：

05_构建根文件系统 - 图1

因此，在example目录下，一个最简单的打印 Hello World 的根文件系统就构建成功了，它只需init可执行文件、/dev目录及该目录下的console设备节点。

SofTool.CN Notes:
1、最初我在启动过程中遇到： Warning: unable to open an initial console.

可能原因是设备节点已丢失，需要自己再手动创建一下即可。
再重新编译Linux后更新到开发板，就出现了作者上面的测试用init内容：

2、此时对应的bootloader的BootCmd的值为:

noinitrd root=/dev/mtdblock3 rootfstype=yaffs2 init=/init console=ttySAC0

如果使用：

noinitrd root=/dev/nfs init=/init console=ttySAC0 nfsroot=192.168.0.10:/nfs/rootfs,nolock rw ip=192.168.0.20:192.168.0.10:192.168.0.10:255.255.255.0::eth0:off

则无法使用上面的initramfs。

编译Linux内核，使其支持initramfs，此处为了测试，内核关闭看门狗，以免不能喂狗造成系统复位。在General setup下打开支持initramfs以及相应的根文件系统目录路径：

05_构建根文件系统 - 图4

图2-1 initramfs编译进linux内核

SofTool.CN Notes:
默认”Initramfs source file(s)”为空:

回车进入:

然后自定义路径(在自己的PC机上的系统根目录下root，如果没有rootfs，就自己逐一新建):
/root/rootfs/example

OK之后就可以看到作者写入的内容了：

编译内核，最后在内核源码树 /usr 目录下有一个 initramfs_data.cpio 档案，即为initramfs，initramfs可以直接编译进内核，当独立于内核时，由bootloader进行加载进ram。这里initramfs编译进内核，bootloader只需加载linux内核并启动即可。此处把编译生成的linux内核zImage复制到sd卡的/image目录下并命名为kernel.bin，由bootloader从sd卡加载内核启动：

05_构建根文件系统 - 图9

图2-2 bootloader从sd卡启动linux内核

3、BusyBox构建根文件系统

SofTool.CN Notes:
更多关于 busybox-1.26.2 交叉编译内容，可以参考： https://www.softool.cn/blog-236.html

3.1. BusyBox概述

对于Linux系统来说，用户空间往往需要很多常用的Linux命令、工具等来跟Linux内核进行交互。这些命令集可以自行实现、也可以下载相应的命令源码进行移植，除此之外，还有一些开源的工具已经打包实现了Linux常用的命令集，如BusyBox、embutils等。其中busybox是常用的一个工具，它能够以一个极小的应用程序来提供整个命令集的功能，而且需要哪些命令都是可以配置的，这非常适合于嵌入式系统的应用。

3.2. BusyBox配置编译

busybox可以根据功能需求进行裁剪，此处我们使用静态编译。使用交叉编译工具，对于s3c2416，要求交叉编译工具编译armv5指令集，软浮点等，不是默认需指定CFLAGS。

05_构建根文件系统 - 图10

图3-1 busybox配置

编译BusyBox后，在源码目录_install有linuxrc链接文件以及命令集文件夹，/bin和/sbin，其中linuxrc链接到/bin/busybox，/bin和/sbin所有命令均是链接到/bin/busybox。

SofTool.CN Notes:
只有 make install 之后才会出现 _install 目录

3.3. BusyBox根文件系统 ★

创建BusyBox目录作为根文件系统目录，把 _install 上的 /bin、/sbin、以及linuxrc 复制到 BusyBox 目录下，由于 initramfs 执行第一个用户程序为 init ，此处把 linuxrc 重命名为 init 即可。

BusyBox的一些命令需要一些目录、配置文件、设备等的支持。因此，基于BusyBox的根文件系统还需创建一些目录及文件。

此处以BusyBox源码目录examples/bootfloppy/etc为例说明/etc目录及其文件内容。

BusyBox启动后，首先会解析/etc/inittab的内容，根据这个配置文件，进行相应的运行动作。

::sysinit:/etc/init.d/rcS
::respawn:-/bin/sh
::askfirst:-/bin/sh
::ctrlaltdel:/bin/umount -a -r
::restart:/sbin/init

注：
sysinit表明系统启动后最先执行/etc/init.d/rcS启动脚本，最后启动/bin/sh子进程。

/etc/init.d/rcS内容如下：

#! /bin/sh
/bin/mount –a

上面的内容是一个Shell脚本，它用来尝试挂载 /etc/fstab 列出的所有文件系统，因此需要 /etc/fstab 文件，其内容如下：

proc           /proc    proc     defaults    0   0

可知尝试挂载proc文件系统到/proc目录，因此对于这个BusyBox自带的/etc配置例程，根文件系统目录下需/proc目录，用mkdir /proc即可创建该目录。

总结：
mount –a 指令，需要根据 /etc/fstab 文件内容来挂在谁。

在例程/etc目录下，还有一个profile文件，该文件用于配置每个用户登录系统后的环境变量。其内容如下

echo -n "Processing /etc/profile... "
PATH=/sbin:/bin
runlevel=S
prevlevel=N
umask 022
export PATH runlevel prevlevel
echo

BusyBox需要使用控制台等设备文件，因此还需要/dev目录以及该目录下一些简单的设备节点，在/dev目录下创建console、null这两个设备节点即可：

#假设当前进入了dev目录则:
mknod console c 5 1
mknod null c 1 3

SofTool.CN Notes:
前后对比图为：

至此基于BusyBox例程的配置修改完成，这是根据例程所实现较简单的目录及其配置，一般根据需要使用则需存在，不需使用则无需存在的原则，可以根据根文件系统的功能，进行更复杂的配置。

3.4. BusyBox测试

在内核中修改initramfs的目录路径为/root/rootfs/busybox，进行编译内核，把生成的内核拷贝到sd卡/image目录并重命名为kernel.bin，由bootloader从sd卡加载启动BusyBox内核。

SofTool.CN Notes: 根据提示此时按回车键哟，才能进入下面的界面^_^

05_构建根文件系统 - 图12

图3-2 基于busybox的linux内核启动

测试之前的Hello world程序，./helloworld，用ctrl+c终止进程：

SofTool.CN Notes: 经测试，我的ctrl+c不起作用，改用ctrl+z后正常，奇怪？

05_构建根文件系统 - 图13

图3-3 测试Hello world子进程

用vi编辑生成文本文件，mkdir创建文件夹等，成功后，当前的文件系统有相应的操作改变，但系统重启后，基于ram文件系统的initramfs又回到之前的内容。

4、附录

对于嵌入式系统来说，基于Linux进行构建整个系统，往往是因为Linux下驱动完善，有各种优秀的开源项目，网络等各种功能支持完备，从一定程序上减少了相当的开发工作。此时的Linux系统往往尽量精简，只需达到相应的项目需求即可，采用initramfs来精简文件系统无疑是一种不错的方法，可以实现Linux系统的秒启动。

本章所述的根文件系统：
http://pan.baidu.com/s/1eSMhdOA

附录为arm交叉编译工具链下基于newlib的s3c2416 Linux启动 bootloader工程，本章所述的根文件系统，bootloader从sd卡加载内核启动，工程直接make即可：
http://pan.baidu.com/s/1c2Fz7tI

mdk下s3c2416 Linux启动bootloader工程：
http://pan.baidu.com/s/1hs1Kl16