Linux内核镜像及根文件系统制作

一、系统开发平台介绍

   本次试验是基于九鼎创展公司嵌入式开发板x210v3， 核心处理器是ARM Cortex–A8架构的S5PV210，主频1GHz。  PC机Linux版本：Ubuntu Kylin 14.04  内核版本：3.13

二、Linux内核配置和编译

2.1 基本原理介绍

2.1.1目录简介

Linux目录基于“文件系统层次标准”（FHS），目录为树形结构。该标准定义了不同目录的结构和功能。基本目录如下：

arch：architecture的缩写，包含与体系结构相关的内核代码，实验中我们用到的是ARM体系结构；

drivers：设备驱动程序，如block：部分块设备驱动程序，char:字符设备驱动程序，其他的还有cdrom、pci、scsi、net、sound等；

fs：存放各种文件系统的实现代码。每个子目录对应一种文件系统，如：

||devpts-/dev/pts虚拟文件系统  ||ext2-第二扩展文件系统

||fat-fat32文件系统            ||isofs-iso9660光盘cd-rom上的文件系统

include:含内核所需头文件；

init：含内核初始化代码；

ipc：进程间通信的实现代码；

kernel：Linux大多数关键的核心功能都是在这个目录实现；

（调度程序，进程控制，模块化）

lib目录：库文件代码；

Mm：用于实现内存管理中与体系结构无关的部分（与体系结构相关的部分在arch下）；

Net：网络协议的实现代码。如：

||802-802无线通讯协议核心支持代码  ||ipv4-ip协议族V4版32未寻址模式

||ipv6-ip协议族V6版

Scripts：含配置内核的脚本文件；

2.1.2 内核配置的基本结构

Linux内核的配置系统由三部分（或者四部分，区别在于分类方式）组成：

1)   Makefile:分布在 Linux 内核源代码中的 Makefile，定义 Linux 内核的编译规则,在顶层及各子目录下都有。顶层 Makefile 有两个主要的任务：产生 vmlinux 文件和内核模块（module）；　另一个文件Rules.make 为规则文件，定义了所有 Makefile 共用的编译规则。

2)   配置文件（config.in）：给用户提供配置选择的功能。文件中有许多的配置变量等式，用来说明用户配置的结果。例如 CONFIG_MODULES=y 表明用户选择了 Linux 内核的模块功能。

3)   配置工具：包括配置命令解释器（对配置脚本中使用的配置命令进行解释）和配置用户界面（提供基于字符界面、基于 Ncurses 图形界面以及基于 Xwindows 图形界面的用户配置界面，各自对应于 Make config、Make menuconfig 和 make xconfig）。本次实验使用的是make menuconfig

2.2 内核配置过程

1．利用tar 指令解压内核并进入解压出的内核文件夹，试验中使用的内核是已经移植好的与开发板配套的内核；

2．ExportARCH=arm  ;选择处理器构架为arm平台，执行完该指令之后Makefile  将使用以arm平台为基础的代码

3．Makeclean  ;清除之前编译的残留成分

4．makemenuconfig 进入配置的菜单界面

为保证操作系统正常启动，需要配置一下几个部分：

1）general setup——>(内核编译配置的基本方法)

cross-compiler tool prefix 选项中设置交叉编译器的路径及前缀；

Initial RAM filesystem and RAMdisk(initramfs/initrd)  support 用于内核启动时装载ramdisk作为它的根文件系统；

由于ramdisk使用的是gzip压缩方式，故还应选择 support initial ramdisks compressed using gzip ；

2）system type ——>（系统选型）

ARM system type 一项中应选择与开发板配套的 (samsungS5PV210/S5PC110)；

3)device drivers——>(设备驱动)

应支持块设备驱动：block devices——>RAMblock device support；

此外，选择缺省的ramdisk 的大小为8192kbytes(8M)；

3）File systems ——>(文件系统)

由于ramdisk使用的ext2文件系统，故应选择支持ext2文件系统（属于磁盘文件系统）、另外在网络文件系统中应选中NFS，保证NFS的客户端支持，后面的开发中将要使用到。

配置完成后保存并退出，配置的信息会保存在 .config文件中。另外也可以将已配置好的config配置文件内容直接复制到当前的.config文件当中；之前的配置自动保存与config.old文件内，必要时可以进行恢复。

 

5、make 对内核进行编译,生成zImage文件，保存在内核目录下的 arch/arm/boot/zImage中。

注：也可以使用make –j4指令编译内核。这里的-j4指的是4核同时编译，可以加快编译速度，减少等待时间。

 

至此第一个实验已经完成，生成了实验所需要的内核镜像文件zImage。

Ø 内核镜像文件的对操作系统的作用

    内核镜像文件zImage是核心的linux内核vmlinux经过压缩后得到，它有点类似于windows系统中的ISO文件，其中包含了可执行的二进制指令（内核），调试信息，符号表等内容，为可运行的二进制内核镜像，可以说是整个操作系统的核心部件。同时，zImage可以烧写到Flash中，方便加载进入我们需要的嵌入式系统。

三、嵌入式文件系统的构建

3.1  Linux常用文件系统及其优缺点

1)  RomfS：只读文件系统，可以放在ROM空间，也可以在系统的RAM中

优点：相对简单、占用空间较少。

缺点：文件系统Romfs为只读文件系统，禁止写操作,因此系统同时需要虚拟盘（Ramdisk）支持临时文件数据文件的存储.

2)  Ext2fs/Ext3fs(以Ext2fs为例)

优点：支持4 TB 存储、文件名称最长1012 字符；可选择逻辑块；快速符号链接 

缺点：Ext2fs不适合flash设备；是为象IDE设备那样的块设备设计的，逻辑块大小必 须是512 byte、1KB、2KB等；没有提供对基于扇区的擦除／写操作的良好管理；如果在一个扇区中擦除单个字节，必须将整个扇区复制到 RAM，然后擦除，再重写入；在出现电源故障时，Ext2fs 是不能防止崩溃的；文件系统不支持损耗平衡，缩短了flash的寿命

3)   JFFS/JFFS2：是为Flash设计的日志文件系统日志文件系统 

优点：提供了更好的崩溃、掉电安全保护；支持对flash的均匀磨损；在扇区级别上执行闪存擦除／写／读操作要 比Ext2文件系统好；

缺点：文件系统接近满时，JFFS2 会大大放慢运行速度（垃圾收集）；jffs／jffs2启动的时候需要扫描日志节点，不适合大容量的Nand flash；jffs的日志通过jffs_node建立在RAM中，占用 RAM空间：如对于128MB的Nand大概需要4MB的空间来维护节点！

参考地址：http://wenku.baidu.com/link?url=E73VBDNEhqGtTJJkIxXbyd4NPZrkB79rZMZAVpGUiRTsYfG5udzbmL-DpqNPH683K3HIKmAhSVnasRhTPqgVTMDUR8Bz8sC1wH8Mpwh2-B7

 

3.2  以BusyBox为基础构建适合的文件系统

3.2.1 根目录介绍

目录名	存放的内容
/bin	必备的用户命令，例如ls、cp等
/sbin	必备的系统管理员命令，例如ifconfig、reboot等
/dev	设备文件，例如mtdblock0、tty1等
/etc	系统配置文件，包括启动文件，例如inittab等
/lib	必要的链接库，例如C链接库、内核模块
/home	普通用户主目录
/root	root用户主目录
/usr/bin	非必备的用户程序，例如find、du等
/usr/sbin	非必备的管理员程序，例如chroot、inetd等
/usr/lib	库文件
/var	守护程序和工具程序所存放的可变，例如日志文件
/proc	用来提供内核与进程信息的虚拟文件系统，由内核自动生成目录下的内容
/sys	用来提供内核与设备信息的虚拟文件系统，由内核自动生成目录下的内容
/mnt	文件系统挂接点，用于临时安装文件系统
/tmp	临时性的文件，重启后将自动清除

 

3.2.2 实验步骤

1、编译BusyBox:

按照Make menuconfig——>make——>make install顺序编译BusyBox,编译完之后的代码安装在指定目录_install目录下，主要是生成/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/sbin目录，存储常用命令的二进制文件。

2、做一个8M的ext2文件系统

#ddif=/dev/zero of=ramdisk_img bs=8k count=1k ;建立一个8M的文件

#/sbin/mke2fsramdisk_img     ；将该文件格式化为一个ext2文件系统

3、在/mnt目录下创建一个名为ramdisk的目录，将之前做的ramdisk_img文件系统挂载到该目录，有两种方式：

   方式一：

#sudo mountramdisk_img /mnt/ramdisk/ -o loop  ;将ramdisk_img作为文件系统挂载到指定目录（需要超级用户权限）

方式二：

#more/etc/fstab   ;可不需要超级用户权限（缺点是只限于当前目录下的ramdisk文件）

# mount/mnt/ramdisk/   ；注意不要出现重配置的问题

4、进入_install目录，将里面所有文件文件复制文件到 /mnt/ramdisk中

#cp */mnt/ramdisk/ -ar

5、在根文件系统中配置一些启动的选项

（1）ramdisk目录中建立proc、sys、dev、etc、lib目录，各目录功能前面已经做了简要介绍

（2）在etc目录内里面创建inittab文件，作为启动脚本的内容；创建rc文件，包含一些系统启动的命令；创建motd文件，里面的内容将最终打印在终端上；之后创建init.d目录，并利用ln指令做符号链接，该文件作为inittab启动脚本

#vi rc

#mkdir init.d

#ln –fs ../rc rcS  ;链接

#sudo chmod +xrc  ;给rc加上可执行的属性

（3）ramdisk目录中建立lib目录,在交叉编译库路径下找到 ld-2.10.1.so,libc-2.10.1.so,libm-2.10.1.so三个动态库文件及相应的动态链接库加载器，通过ln指令实现动态库的链接

（4）进入dev 目录,通过编写mkdev.sh在目录内快速创建一些设备文件

#shmkdev.sh   ；快速创建设备文件

6、回到radisk_img的目录中卸载ramdisk文件系统，实现系统更新：

#umonut/mnt/ramdisk

   以上步骤成功制作了一个ramdisk文件系统映像，可压缩节省FLASH占用空间。

 

三、嵌入式系统开发

通过前面两个实验，已经做了Linux内核镜像zImage及根文件系统ramdisk_img.gz，下面的实验通过之前这两个文件熟悉整个嵌入式系统的开发过程.

3.1 基本原理简介

原理内容如果详细介绍篇幅过多，这里只做简单的说明：

1)  Bootloader:为PC机引导加载程序的一部分，主要作用是将内核映像从硬盘读到RAM中，跳转到相应地址运行操作系统，目前参考书中比较常见的作为引导嵌入式操作系统的Bootloader以U-Boot居多。

2)  minicom:为一款串口通信软件，用于实现串口通信。第一次使用软件时需要根据实际情况进行串口的设置，由于前面同学基本已经做好，故无需多少改动。

3)  Tftp传输协议：基于UDP协议的简单文件传输协议，以目标板作为客户机。

4)  NFS：Net File System，网络文件系统，通过NFS用户和程序可以像访问本地文件一样访问远端系统上的文件。前面在做内核镜像时已支持该网络文件系统。

   3.2实验内容

1)  将之前制作的内核镜像及根文件系统复制到实验室的tftpboot文件夹内，分别命名为wzs_zImage及ramdisk_wzs.gz；

2)  进入minicom中，打开嵌入式开发平台的电源，在boot时进行干预，进行一些配置：

x210# setenv ipaddr 192.168.207.122    ；本机（即嵌入式开发平台）地址

x210# setenv serverip 192.168.207.22   ；服务器地址

x210# setenv ramdisk root=/dev/ram rw initrd=0x40000000,8M

x210# setenv bootargs console=ttySAC2,115200 $ramdisk   ；指示挂载ramdisk作为根文件系统

x210# tftp 0xc0008000 wzs_zImage 

x210# tftp 0x40000000 ramdisk_wzs.gz  ；将内核镜像和文件系统分别挂载到相应内存地址

x210# bootm 0xc0008000    ；系统开始加载内核

Ø  启动。。。。。。

3）先配置网络，再使用mount命令将主机（开发板）的/mnt目录挂到服务器（电脑）的/exp目录下：

#ifconfigeth0 192.168.207.122

#mount192.168.207.22:/exp /mnt -o nolock,proto=tcp

之后，尝试简单编写了简单的hello程序，通过不同的编译器进行编译分别实现了在主机和服务器上的运行。

Ø  交叉编译器的配置：

#exportPATH=$PATH/usr/local/arm-2009q3/bin/

#arm-none-linux-gnueabi-gcc-static -o hello hello.c

（仅适用于当前终端）

  3.3  嵌入式系统下软件开发的一般流程（基于Linux）

一般是先在自己的宿主机上搭建好Linux系统环境，如准备好交叉编译器等，接着就是像实验三中的操作，配置好串口之后利用bootloader下载已经移植好的Linux操作系统，接着使用NFS服务把嵌入式系统某个目录挂载宿主机目录下，之后就可以较方便地在宿主机上实现嵌入式系统软件的开发和下载。