制作嵌入式Linux根文件系统

1. 根文件系统布局

  嵌入式 Linux 根文件系统布局，建议还是按照FHS标准来安排，事实上大多数嵌入式Linux都是这样做的。但是，嵌入式系统可能并不需要桌面/服务器那样庞大系统的全部目录，可以酌情对系统进行精简，以简化Linux的使用。如嵌入式Linux文件系统中通常不会放置内核源码，因而存的 常不会放置内核源码，因而存的 常不会放置内核源码，因而存放源码的 /usr/src目录是不必要的， 甚至连头文件也不需要，即/usr/include目录也不必要；但是 /bin、/dev 、/etc、/lib 、/proc 、/sbin、/usr几个目录是不可或缺的。
  所以，允许嵌入式 Linux 对系统目录结构进行精简，以适应具体用场合的需求，一个典型的嵌入式Linux根文件系统目录如下所示：

典型嵌入式Linux根文件系统目录

目录	内容
bin	系统命令和工具
dev	系统设备文件
etc	系统初始化脚本和配置文件
lib	系统运行库文件
proc	proc文件系统
sbin	系统管理员命令和工具
sys	sysfs文件系统
tmp	临时文件
usr	用户命令和工具，下分usr/bin和usr/sbin目录
var	系统运行产生的可变数据

  要构建一个可用的Linux根文件系统，需要的二进制和库都不少，完全从零开始也是不现实的，推荐参考其它现有可用的文件系统，在原基础上按需修改；或者使用文件系统制作工具如 BusyBox 来实现文件系统的生成。

2. 使用BusyBox生成二进制工具

2-1. 获取BusyBox源码

  Busybox的官方源码下载路径为：https://busybox.net/downloads/。
  目前最新版本为busybox-1.29.3.tar.bz2。

2-2. 配置BusyBox

  解压源码，进入根目录

$ tar jxvf busybox-1.29.3.tar.bz2
$ cd busybox-1.29.3/

  首先，执行

$ make menuconfig

  进入图形化配置界面

2-2-1. 选择编译静态库

  进入

Settings --->

  使用空格键选择编译静态库

--- Build Options                                               
[*] Build static binary (no shared libs)  

  如图：

2-2-2. 选择交叉编译工具链

  在

Settings --->

  设置项下，填写交叉编译工具链前缀

2-2-3. 选择安装目录

  在

Settings --->

  设置项下，找到

--- Installation Options ("make install" behavior) 
    What kind of applet links to install (as soft-links)  --->  
(./_install) Destination path for 'make install' (NEW)  

默认为当前目录下目录，这里我使用默认_install目录

2-2-4. 编译安装

  退出保存后，执行编译

$ make

  大概几分钟后编译完成，执行

$ make install

  很快就会安装完成

  进入_install目录，查看生成的文件

  新建一个目录用来存放制作的根文件系统，可以命名为rootfs。将利用BusyBox生成的二进制文件及目录，即_install目录下的所有文件及目录复制到rootfs目录下。

3. 构建根文件系统

  使用BusyBox编译后，仅有 bin、sbin、usr这 3个目录和软链接linuxrc，目录里都是二进制命令工具，这还不足以构成 一个可用的根文件系统，必须进行其它完善工作，才能构建一个可用的根文件系统。

3-1. 完善目录结构

  根据典型嵌入式Linux根文件系统目录，在rootfs目录中创建其他目录

$ mkdir dev etc lib proc sys tmp var

3-2. 添加C运行库文件

  库文件可直接从交叉工具链获取，一般在工具链的libc/lib/目录下。我这里是在ubuntu下安装的Linaro的交叉工具链

  库文件是在/usr/arm-linux-gnueabihf/lib/目录下，拷贝动态链接库文件(.so文件)到新制作的根文件系统根目录下/lib目录里

$ cp -a  /usr/arm-linux-gnueabihf/lib/*so* ./lib/

  这里只是拷贝动态链接库。一般开发程序使用动态编译需要板子上动态库的支持才能运行，所以拷贝动态库。而静态库一般在静态编译的时候用到，由于交叉编译的工作放在了PC上所以板子上不需要静态库，所以没有必要拷贝，这样还可以减小根文件系统的体积。
  一般使用gcc编译后的可执行文件、目标文件和动态库都带有调试信息和符号信息，这些在调试的时候用到，但是却增大了文件的大小。通常在PC上调试，或者调试时使用这些带有调试信息和符号信息的库文件，程序发布后使用去掉这些信息的库文件，可以大大缩小根文件系统的体积。这里我们去掉这些信息，方法是使用strip工具：

$ arm-linux-gnueabihf-strip ./*

3-3. 添加初始化配置脚本

  初始化配置脚本放在在/etc目录下，用于系统启动所需的初始化配置脚本。BusyBox提供了一些初始化范例脚本，在examples/bootfloppy/etc/目录下。将这些配置文件复制到 ”目录下。将这些配置文件复制到 ”目录下。将这些配置文件复制到新制作的根文件系统etc目录下

cp -a ../busybox/busybox-1.29.3/examples/bootfloppy/etc/* etc/

  添加后如图所示：

3-3-1. 修改/etc/inittab文件

  /etc/inittab文件是init进程解析的配置文件，通过这个配置文件决定执行哪个进程，何时执行。
  将文件修改为

# 系统启动时
::sysinit:/etc/init.d/rcS

# 系统启动按下Enter键时
::askfirst:-/bin/sh

# 按下Ctrl+Alt+Del键时
::ctrlaltdel:/sbin/reboot

# 系统关机时
::shutdown:/sbin/swapoff -a
::shutdown:/bin/umount -a -r

# 系统重启时
::restart:/sbin/init

  以上内容定义了系统启动时，关机时，重启时，按下Ctrl+Alt+Del键时执行的进程。

3-3-2. 修改/etc/init.d/rcS文件

#! /bin/sh

# 挂载 /etc/fstab 中定义的所有文件系统
/bin/mount -a

# 挂载虚拟的devpts文件系统用于用于伪终端设备
/bin/mkdir -p /dev/pts
/bin/mount -t devpts devpts /dev/pts

# 使用mdev动态管理u盘和鼠标等热插拔设备
/bin/echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug

# 扫描并创建节点
/sbin/mdev -s

3-3-3. 修改/etc/fstab文件

  /etc/fstab文件存放的是文件系统信息。在系统启动后执行/etc/init.d/rcS文件里/bin/mount -a命令时，自动挂载这些文件系统。
  内容如下

#                          
proc                  /proc          proc     defaults       0         0
sysfs                 /sys           sysfs    defaults       0         0
tmpfs                 /tmp           tmpfs    defaults       0         0
tmpfs                 /dev           tmpfs    defaults       0         0

  注：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，我们需要添加tmpfs的支持。

3-3-4. 修改/etc/profile文件

  /etc/profile文件作用是设置环境变量，每个用户登录时都会运行它。
  将文件内容修改为

# 主机名
export HOSTNAME=zyz

# 用户名
export USER=root

# 用户目录
export HOME=/root

# 终端默认提示符
export PS1="[$USER@$HOSTNAME:\$PWD]\# "    

# 环境变量
export PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin

# 动态库路径
export LD_LIBRARY_PATH=/lib:/usr/lib:$LD_LIBRARY_PATH

  

  因为指定了root用户的家目录为/root，所以需要创建该目录，否则执行cd ~时会失败

$ mkdir root

  登录系统后效果为

...
Please press Enter to activate this console.
[root@zyz:/]#
[root@zyz:/]# cd ~
[root@zyz:/root]#
[root@zyz:/root]# echo $PATH
/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin

  至此，根文件系统就基本构建好了。

4. 制作根文件系统镜像

4-1. 根文件系统类型

  如果文件系统已经布局完成， 则可以发到目标中了。通常会制作一个镜像然后通过某种方式固化到目标系统中，具体采用什么样的形发布需要根据资源状况、内核情况和系统需求等方面进行裁决：

• 硬件方面，至少需要考虑主存储介质的类型和大小如Flash是NOR Flash还是NAND Flash，RAM的大小等。
• 内核方面， 则需考虑所裁剪后的支持哪些文件系统采用种最合适， 能满足性、速度等要求。
• 系统需求方面，要考虑运行速度、是否可写压缩等因素。
    常见的可用于根文件系统类型有ramdisk 、cramfs、jffs2 、yaffs/yaffs2和 ubifs等，各类型的特性如表所列。

类型	介质	是否压缩	是否可写	掉电保存	存在于RAM中
Ramdisk		是	是	否	是
cramfs		是	否	-	否
jffs2	NOR Flash	是	是	是	否
yaffs/yaffs2	NAND Flash	否	是	是	否
ubifs	NAND Flash	否	是	是	否

  尽管文件系统固件以某一种文件系统的镜像发布，但是整个文件系统实际上还是并存多种逻辑文件系统的。例如，一个系统根文件系统以ubifs挂载，但是/dev目录却是以tmpfs挂载的、/sys目录挂载的是sysfs文件系统。
  现在，似乎ubifs是一种趋势。

4-2. 制作UBIFS根文件系统镜像

  Linux下制作UBIFS的命令有两个，mkfs.ubifs和ubinize。

• mkfs.ubifs，将一个目录制作为UBIFS文件系统。使用范例

$ mkfs.ubifs -m 2048 -e 128KiB -c 4096 -r ./rootfs -o rootfs.ubifs

  其中

-r, -d, --root=DIR       build file system from directory DIR（目录）
-m, --min-io-size=SIZE   minimum I/O unit size（最小输入输出单元大小）
-e, --leb-size=SIZE      logical erase block size（逻辑擦除块大小）
-c, --max-leb-cnt=COUNT  maximum logical erase block count（最大逻辑擦除块数目）
-o, --output=FILE        output to FILE（输出文件）

  所以制作ubifs镜像文件，需要知道3个关键参数，即最小输入输出单元大小，逻辑擦除块大小，最大逻辑擦除块数目，其中最大逻辑擦除块数目可由Flash分区大小和逻辑擦除块大小计算出来，这些信息可以通过u-boot命令查看

=> mtdparts default
=> ubi part rootfs

• ubinize，将mkfs.ubifs制作的UBIFS文件系统制作成含有卷标的可以直接烧写在Flash上的镜像。使用范例

$ ubinize -m 2048 -p 128KiB ubinize.cfg -o rootfs_ubifs.img

  其中

-o, --output=     output file name（输出文件）
-p, --peb-size=       size of the physical eraseblock of the flash（物理擦除块大小）
                             this UBI image is created for in bytes,
                             kilobytes (KiB), or megabytes (MiB)
                             (mandatory parameter)
-m, --min-io-size=    minimum input/output unit size of the flash
                             in bytes

  这里需要两个参数物理擦除块大小和最小输入输出单元大小。
  ubinize.cfg是配置文件，内容如下

[ubifs]
mode=ubi
image=rootfs.ubifs
vol_id=0
vol_size=1024MiB
vol_type=dynamic
vol_name=rootfs
vol_flags=autoresize

  说明

[ubifs]
mode=ubi
image=rootfs.ubifs       # mkfs.ubi生成的源镜像 
vol_id=0                 # 卷号
vol_size=1024MiB         # 卷大小，一般要设置的比分区大，防止有坏块
vol_type=dynamic         # 卷类型，动态卷
vol_name=rootfs          # 卷名，rootfs
vol_flags=autoresize     # 自动大小

  至此，根文件系统就制作好了，rootfs_ubifs.img可以烧写到flash使用。