【问答23】Linux移植:如何制作rootfs?

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粉丝问题

如何制作rootfs? 安排! 想直奔主题的,直接跳到第四章。

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的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-hpa

TFTP_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 
  1. 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
  1. 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

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 file
	Of: 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 Drivers
		SCSI device support  --->
			<*> SCSI disk support
		Block 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。