Linux-文件系统-学习笔记（15）：利用busybox构建根文件系统

Linux-文件系统-学习笔记（15）：利用busybox构建根文件系统

前言：一整套linux在只有内核的情况下是不能工作的，它需要由根文件系统的配置支持。同时根文件系统提供了根目录、shell命令集和linuxrc应用程序，使得系统能够从进程1中衍生出其他进程。所以rootfs对于操作系统来讲是不可缺少的。

一、busybox移植

1、什么是busybox？

上一篇博客中简单介绍了busybox:
（1）busybox是一个C语言写出来的项目，里面包含了很多.c文件和.h文件。这个项目可以被配置编译成各个平台下面可以运行的应用程序。我们如果用arm-linux-gcc来编译busybox就会得到一个可以在我们开发板linux内核上运行的应用程序。
（2）busybox这个程序开发出来就是为了在嵌入式环境下构建rootfs使用的，也就是说他就是专门开发的init进程应用程序。
（3）busybox为当前系统提供了一整套的shell命令程序集。譬如vi、cd、mkdir、ls等。在桌面版的linux发行版（譬如ubuntu、redhat、centOS等）中vi、cd、ls等都是一个一个的单独的应用程序。但是在嵌入式linux中，为了省事我们把vi、cd等所有常用的shell命令集合到一起构成了一个shell命令包，起名叫busybox。
总结：busybox 是用来制作嵌入式linux根文件系统的一个工具软件，它里面集成了很多基本的操作命令，在构建嵌入式Linux系统中很有用。

2、busybox的移植方法

（1）从busybox官网下载它。
（2）将压缩包解压到你的ubuntu中。

（3）进入到busybox中，修改它的Makefile，使其对应好你的架构和交叉编译工具链。

ARCH = arm
CROSS_COMPILE = /usr/local/arm/arm-2009q3/bin//arm-none-linux-gnueabi-

（4）配置makeconfig中的内容。

Busybox Settings--->
	Build Options--->
		[*]Build BusyBox as a static binary(no shared libs)
		
Busybox Library Tuning--->
	[*]vi-style line editing commands
	[*]Fancy shell prompts
	
Linux Module Utilities--->
	[ ]Simplified modutils
	[*]insmod
	[*]rmmod
	[*]lsmod
	[*]modprobe
	[*]depmod

Linux System Utilities--->[*]mdev
	[*]Support /etc/mdev.conf
	[*]Support subdirs/symlinks
	[*]Support regular expressions substitutions when renaming dev
	[*]Support command execution at device addition/removal
	[*]Support loading of firmwares

后面编译会报一个错误：

解决方法：在makeconfig中将sync配置为N即可。

（5）make然后make install。
make install在所有的linux下的软件中作用都是安装软件。在传统的linux系统中安装软件时都是选择源代码方式安装的。我们下载要安装的软件源代码，然后配置、编译、安装。make install的目的就是将编译生成的可执行程序及其依赖的库文件、配置文件、头文件安装到当前系统中指定。
我们在make install之前，最好指定一个安装目录：

Busybox Settings  --->  
	Installation Options ("make install" behavior)  --->  
		│(/root/porting_x210/rootfs/rootfs) BusyBox installation prefix  

（6）安装成功。
安装成功后切换到安装目录下，即可得到bin、linuxrc、sbin、usr。

二、创建根文件系统

1、修改inittab文件

（1）尝试通过busybox生成的rootfs
上一篇博客中，我们通过自己建立了一个简易版的rootfs，其中包含了一个空的linuxrc，最终实验结果为：挂载成功，执行/linuxrc失败。
现在我们移植了busybox后，它内部包含了一个可以用的linuxrc，我们再次将将busybox生成的rootfs通过nfs去挂载，并查看结果。在启动之前，需要注意uboot中的bootarg参数配置是否正确：

nfsroot=192.168.1.141:/root/porting_x210/rootfs ip=192.168.1.10:192.168.1.141:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off  init=/linuxrc console=ttySAC2,115200 

实验结果为：挂载成功，执行/linuxrc（也就是busybox）成功，但是因为找不到/etc/init.d/rcS和/dev/tty2等文件所以一直在打印错误提示信息，而且没有进入命令行。

（2）添加inittab文件
对于没有进入命令行的问题，最重要的原因是缺少inittab文件。

inittab的工作原理就是被/linuxrc（也就是busybox）执行时所调用起作用。
inittab在/etc目录下，所以属于一个运行时配置文件，是文本格式的（内容是由一系列的遵照一个格式组织的字符组成的），实际工作的时候busybox会（按照一定的格式）解析这个inittab文本文件，然后根据解析的内容来决定要怎么工作。

在inittab文件中：
#开始的行是注释。冒号在里面是分隔符，分隔开各个部分。inittab内容是以行为单位的，行与行之间没有关联，每行都是一个独立的配置项，每一个配置项表示一个具体的含义。
每一行的配置项都是由3个冒号分隔开的4个配置值共同确定的。这四个配置值就是id:runlevels:action:process。值得注意得是有些配置值可以空缺，空缺后冒号不能空缺，所以有时候会看到连续2个冒号。
每一行的配置项中4个配置值中最重要的是action和process，action是一个条件/状态，process是一个可被执行的程序的pathname。合起来的意思就是：当满足action的条件时就会执行process这个程序（变成1个进程）。

通过分析busybox的源代码就会发现，busybox最终会进入一个死循环，在这个死循环中去反复检查是否满足各个action的条件，如果某个action的条件满足就会去执行对应的process。initab在整个操作系统工作当中一直在起作用，不是检查一次就结束了。

下面是我们的inittab代码：

::sysinit:/etc/init.d/rcS
#::askfirst:-/bin/sh
s3c2410_serial2::sysinit:/bin/login
::ctrlaltdel:-/sbin/reboot
::shutdown:/bin/umount -a -r
::restart:/sbin/init

代码解析：
::sysinit:/etc/init.d/rcS ：当系统初始化，只有系统开机或重新启动的时候，/etc/init.d/rcS才会被执行一次。
::askfirst:-/bin/sh：当系统初始化，直接进入命令行，不需要登录。
s3c2410_serial2::sysinit:/bin/login：当系统初始化，只有系统开机或重新启动的时候，/bin/login才会被执行一次，然后登录用户名和密码（与上面的方式两者2选一）。
::ctrlaltdel:-/sbin/reboot：当按住ctrl+alt+delate时，系统执行/sbin/reboot。
::shutdown:/bin/umount -a -r：当关机时，执行/bin/umount -a -r，将所有的文件夹和文件都卸载。
::restart:/sbin/init：当重启时，执行/sbin/init。

2、busybox源码分析

为了理解busybox的工作原理，我们需要对busybox的源码进行简单的分析。

（1）busybox的工作原理
busybox入口就是main函数，其中有很多个main但是只有一个起作用了，其他的是没起作用的。真正的busybox工作时的入口是libbb/appletlib.c中的main函数。
busubox中有很多xxx_main函数，这些main函数每一个都是busybox支持的一个命令的真正入口。譬如ls_main函数就是busybox当作ls函数使用时的入口程序。

进入到busybox的bin文件中，我们可以发现ls或者cd等命令其实都是busybox的一个符号链接。那么busybox是如何实现一个程序化身万千还能各自工作的？答案就是main转xxx_main。也就是说ls或者cd等命令其实都是busybox一个程序，busybox每次执行时都是先执行其main，在main函数中识别（靠main函数的传参argv[0]来识别）我们真正要执行的函数（譬如ls）然后去调用相应的xxx_main（譬如ls_main）来具体实现这个命令。从而通过这种传参的方式实现一个busybox完成多种功能的效果。

（2）busybox对inittab的解析
inittab的解析是在busybox/init/init.c/init_main函数中。
执行逻辑是：先通过parse_inittab函数解析/etc/inittab（解析的重点是将inittab中的各个action和process解析出来），然后后面先直接执行sysinit和wait和once（注意这里只执行一遍），然后在while(1)死循环中去执行respwan和askfirst。

（3）busybox的体积优势原理
busybox实际上就是把ls、cd、mkdir等很多个linux中常用的shell命令集成在一起了。集成在一起后有一个体积优势：就是busybox程序的大小比busybox中实现的那些命令的大小加起来要小很多，因此它非常适合嵌入式这类系统。
busybox体系变小的原因主要有2个： 第一个是busybox本身提供的shell命令是阉割版的（busybox中的命令支持的参数选项比发行版中要少，譬如ls在发行版中可以有几十个-x，但是在busybox中只保留了几个常用的选项，不常用的都删除掉了）；第二个是busybox中因为所有的命令的实现代码都在一个程序中实现，而各个命令中有很多代码函数都是通用的（譬如ls和cd、mkdir等命令都会需要去操作目录，因此在busybox中实现目录操作的函数就可以被这些命令共用），共用会降低重复代码出现的次数，从而减少总的代码量和体积。

3、添加rcS文件

/etc/init.d/rcS文件是linux的运行时配置文件中最重要的一个，其他的一些配置都是由这个文件引出来的。在inittab文件中，::sysinit:/etc/init.d/rcS实现系统启动时对rcS文件的一次调用。这里注意，将windows下编辑的文本导入到linux下要注意换行问题。

rcS脚本内容：

PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin

runlevel=S
prevlevel=N

umask 022

export PATH runlevel prevlevel

mount -a

echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
mdev -s

/bin/hostname -F /etc/sysconfig/HOSTNAME

ifconfig eth0 192.168.1.20

cd /root
./hello_dynamic
cd /

脚本解析—部分1：
PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin：这一行定义了一个变量PATH，值等于后面的字符串。并且后面用export导出了这个PATH，那么PATH就变成了一个环境变量。
runlevel=S：表示将系统设置为单用户模式。
umask 022：决定当前用户在创建文件时的默认权限，设置022时创建文件的权限为644（相加为666）。
mount -a：是挂载所有的应该被挂载的文件系统，在busybox中mount -a时busybox会去查找一个文件/etc/fstab文件，这个文件按照一定的格式列出来所有应该被挂载的文件系统（包括了虚拟文件系统）。

>>当写到这里进行挂载时，出现错误mount: mounting xxx on xxx failed: No such file or directory。原因是因为根文件系统中找不到挂载点。

所谓挂载点就是我们要将目标文件系统（当然这里都是虚拟文件系统）挂载到当前文件系统中的某一个目录中，这个目录就是挂载点。
这里虚拟文件系统对应的挂载点配置在fstab文件中描述。虚拟文件系统基本上是提供与内核交互的一种通道。

解决方法： 自己在制作的rootfs根目录下创建这些挂载点目录即可。

结果： 可以看挂载时输出信息；还可以启动后去看proc和sys文件夹。

脚本解析—部分2：
echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug与mdev -s：udev或mdev是用来配合linux驱动工作的一个应用层的软件，udev/mdev的工作就是配合linux驱动生成相应的/dev目录下的设备文件。/dev目录下的设备驱动文件就是mdev生成的，这就是mdev的效果和意义。
/bin/hostname -F /etc/sysconfig/HOSTNAME：这行代码指定了一个主机名配置文件（这个文件一般文件名叫hostname或者HOSTNAME）。我们可以通过命令（hostname xxx）执行后可以用来设置当前系统的主机名为xxx，直接hostname不加参数可以显示当前系统的主机名。

4、添加profile文件

之前添加了/bin/hostname在/etc/sysconfig/HOSTNAME文件中定义了一个hostname（peter210），实际效果是：命令行下hostname命令查到的host名字确实是peter210。但是问题就是命令行的提示符是没有显示的。
解决方法： 在 /etc/ 目录下添加 profile文件。

profile文件工作原理：profile文件也是被busybox（init进程）自动调用的，所以是认名字的。

profile文件内容：

# No core files by default
ulimit -S -c 0 > /dev/null 2>&1

USER="`id -un`"
LOGNAME=$USER
PS1='[\u@\h \W]\# '
PATH=$PATH

HOSTNAME=`/bin/hostname`

export USER LOGNAME PS1 PATH

结果： 命令行提示符前面显示：[@peter210 ]#。

5、设置登录用户名和密码

/bin/login和 /sbin/getty在用户名和密码的管理上是一样的。其实常见的所有的linux系统的用户名和密码的管理几乎都是一样的。
（1）因为登录在系统启动时只需要执行一次，所以要添加到sysinit中去。

（2）添加passwd和shadow文件

linux系统中用来描述用户名和密码的文件是passwd和shadow文件，这两个文件都在etc目录下。passwd文件中存储的是用户的密码设置，shadow文件中存储的是加密后的密码。（我们直接复制ubuntu系统中的/etc/passwd和/etc/shadow文件到当前制作的rootfs目录下，然后再做修改即可）

Tips：平时有时候我们忘记了自己的操作系统的密码，怎么办？有一种解决方法就是用其他系统（WindowsPE系统或者ubuntu的单用户模式等···）来引导启动，启动后挂载到我们的硬盘上，然后找到/etc/shadow文件，去掉密文密码后保存。然后再重启系统后密码就没了。

6、添加开机启动项

本实验通过编写最简单的两个打印helloworld的C程序，并分别进行静态链接编译和动态链接编译，使其实现开机自动打印helloworld来完成测试。

Makefile文件：

通过==du -h *==来查看编译后生成的可执行文件大小，可以发现动态链接文件远小于静态链接文件。

由于动态链接文件调用了printf函数，而printf函数在动态连接时要在运行时环境（开发板的rootfs）中去寻找对应的库文件（开发板rootfs中部署的动态链接库中包含了printf函数的那个库文件）。所以我们需要将arm-linux-gcc的动态链接库文件复制到开发板rootfs的/lib目录下。
我们用的arm-2009q3这个交叉编译工具链的动态链接库在 /usr/local/arm/arm-2009q3/arm-none-linux-gnueabi/libc/lib 目录下。通过复制命令：cp lib/so /root/porting_x210/rootfs/rootfs/lib/ -rdf来实现复制。

最后在rcS文件中添加cd /root 和./hello_dynamic和 cd /实现开机自启动。注意：默认./为前台运行模式，如果想要让出控制台，就要在./hello_dynamic后面加个&（ ./xxx &），即可实现后台运行。

7、制作ext2格式镜像并烧录启动

（1）设置bootargs为nfs启动方式，然后从主机ubuntu中做好的文件夹格式的rootfs去启动，然后看启动效果，作为将来的参照物。注：调试时候为了方便，一般都是在nfs方式下完成好之后，再制作镜像文件烧录。

（2）动手制作ext2格式的镜像
制作前要先通过du -h …/rootfs/ 查看我们完成的rootfs文件大小，这里为6.5MB，所以我们给的ext2文件大小要大于它，这里给10MB。

#block size为1024 数量为10240个，则整体ext2大小为10M
dd if=/dev/zero of=rootfs.ext2 bs=1024 count=10240
losetup  /dev/loop1 rootfs.ext2
mke2fs -m 0 /dev/loop1 10240
mount -t ext2 /dev/loop1 ./ext2_rootfs/

#然后将rootfs中的所有内容复制到我们创建的ext2_rootfs（rootfs.ext2的入口）中
cp ../rootfs/* ./ -rf
#卸载
umount /dev/loop1
losetup -d /dev/loop1

（3）将制作好的ext2文件拿去烧录

#烧linux kernel
fastboot flash kernel peter/zImage		
#烧rootfs		
fastboot flash system peter/rootfs.ext2
#设置bootargs为从镜像中找
set bootargs console=ttySAC2,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw init=/linuxrc rootfstype=ext2

最后成功。