嵌入式 Linux 开发 6：定制根文件系统

简介根文件系统

根文件系统是 kernel 挂载的第 1 个文件系统，挂载的位置是文件系统层次结构的顶端，表示为 /
Linux 要求根文件系统中包含应用程序和工具软件，通过它们来引导系统，初始化系统服务，加载设备驱动程序和挂载额外的文件系统。

从零开始构建根文件系统是一个艰巨的任务，为了专注【将产品尽快出货】这个头等目标，使用厂商提供的根文件系统可以节省大量的时间和精力。
如果厂商提供的根文件系统尺寸合适，包含了设备必需的组件，特别是 C 程序库（常见为 uClibc）。
最佳的方法是建立应用程序，将其复制到现在的根文件系统，修改启动脚本，并重建根文件系统的二进制镜像。

尽管有 Yocto Buildroot 等构建 Linux 发布版工具，然而它们的学习曲线大致与【自行构建 Linux 系统】相当。
后者学习到的经验更容易应用于 Linux 的其它领域，这包括：交叉编译器，内核，根文件系统，部署 MTD 镜像。

根文件系统顶层目录

目录	内容
bin	用户和系统管理员必备的二进制文件
sbin	系统管理员必备的二进制文件
usr	大量应用程序和文件
dev	设备文件
etc	系统配置和启动文件
home	用户主目录
lib	程序库和内核模块
proc	描述内核与进程信息的虚拟文件系统
sys	描述总线/设备/驱动程序的虚拟文件系统
tmp	临时文件
var	系统日志和临时配置文件

小窍门
在嵌入式 Linux 系统中 var 一般是软链接指向 tmp@SDRAM 这样，避免 FLASH 耗损和提高 IO 效率。
先进入 var 目录，再创建子目录如 ln -s ../tmp ./log 这是相对路径 ../tmp 而不是绝对路径 /tmp（在 NFS 场景下这是开发主机目录）

烧录文件系统

定制根文件系统流程

• 根据应用需求选择文件系统类型，请链接Linux 文件系统类型
• 配置 kernel 支持该文件系统
• 将数据（文件和目录）转换成所选文件系统格式的镜像文件
• 将镜像文件烧录到目标系统上的 MTD 储存设备
• 配置 u-boot 通过命令行参数使 kernel 启动 rootfs

定制 yaffs2 和 squashfs

配置 kernel 支持 yaffs2 和 squashfs
File systems--->Miscellaneous filesystems--->yaffs2 file system support:Autoselect yaffs2 format:Enable yaffs2 xattr support

配置 kernel 支持 squashfs
File systems--->Miscellaneous filesystems--->squashed file system support:Include support for LZO compressed file systems

生成 yaffs2 镜像文件
mkyaffs2 $SOURCE $IMAGE --inband-tags -p 2048

生成 squashfs 镜像文件
mksquashfs $SOURCE $IMAGE -comp lzo -no-xattrs

配置 u-boot 通过命令行参数使 kernel 启动 yaffs2 根文件系统
bootargs=noinitrd root=/dev/mtdblock2 rootfstype=yaffs2 rootflags=inband-tags console=ttyS0 rdinit=/sbin/init mem=64M mtdparts=nand0:2M(u-boot),20M(kernel),40M(rootfs),2M(config),-(log) ignore_loglevel

配置 u-boot 通过命令行参数使 kernel 启动 squashfs 根文件系统
bootargs=noinitrd root=/dev/mtdblock2 rootfstype=squashfs console=ttyS0 rdinit=/sbin/init mem=64M mtdparts=nand0:2M(u-boot),20M(kernel),40M(rootfs),2M(config),-(log) ignore_loglevel

经典的文件系统布局

下图是一个使用了 Flash 芯片的嵌入式 Linux 系统典型布局。

• 具有系统软件的根文件系统被放在一个只读,经压缩的 SquashFS 文件系统中
• 配置文件被储存在不同分区上一个可供读写的 YAFFS2 文件系统中
• 临时文件被储存在使用 TmpFS 的 RAM 中

+-----------+
| SqushFS 　|
| 只读压缩 　|
| 根文件系统 |
+-----------+　　Flash
| YAFFS2 　　|
| 可读可写 　|
| 配置文件 　|
+-----------+
+-----------+
| TmpFS 　　|
| 可读可写 　|　　RAM
| 临时数据 　|
+-----------+

配置网络

配置嵌入式 Linux 网络静态 IP 地址的脚本

#!/bin/sh

HOSTNAME=<your_host_name>
DOMAINNAME=<your_domain_name>
IP=192.168.1.99
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.1.1
NS1=114.114.114.114
NS2=8.8.8.8

# Sets the hostname 
echo 127.0.0.1 $HOSTNAME.$DOMAINNAME $HOSTNAME > /etc/hosts
/bin/hostname $HOSTNAME

# Sets up the loopback interface
/sbin/ifconfig lo 127.0.0.1 up
/sbin/route add -net 127.0.0.0 netmask 255.0.0.0 lo

# Sets up our IP and default gateway
/sbin/ifconfig eth0 $IP up
/sbin/route add default gw $GATEWAY

echo nameserver $NS1 > /etc/resolv.conf
echo nameserver $NS2 > /etc/resolv.conf

动态设备管理 udev

背景

Linux 系统 /dev 存放着设备节点的特殊文件，它是指向实际设备驱动程序的“指针”，而设备驱动程序控制和管理了应用程序对设备的访问。
在不久之前，脚本文件（如 MAKEDEV）静态创建 /dev 下大量的设备节点，而它们对应的设备实际上并不存在，给设备管理带来混乱。
为了解决这一问题，开发了 udev 设备管理子系统，它能够根据系统中实际存在的硬件动态创建 /dev 目录中的条目。

udev 工作原理

• 当内核发现一个新的设备时，它会创建一个 uevent 事件，并通过 netlink 套接字将它发送给一个用户空间的侦听者，它正是 udev。
• 当 udev 接收到 uevent 时，它会扫描其规则数据库：
  A 如果 udev 使用设备的属性在数据库中查找了匹配的条目，这些条目规定了它要执行的动作。
  B 如果 udev 找不到任何匹配的规则，udev 的默认动作只是创建一个设备节点，其名称由内核提供，主次设备号由 uevent 指定。

启动 mdev

拥有强大的规则引擎的 udev 一般用于 Linux 工作站，嵌入式 Linux 经常使用 busybox 版的 udev，它就是 mdev。
和 udev 一样，mdev 需要内核支持 sysfs 和热插拔。发现设备时，mdev 会在 /dev 目录中动态创建设备节点。
下面的代码清单是一个使用 mdev 的示例启动脚本。

#!/bin/sh

# mount virtual file systems
mount -t proc /proc /proc
mount -t sysfs /sys /sys
mount -t tmpfs -o size=80% /tmp /tmp # prevent greedy one from eating up all RAM
mount -t devpts /pts /dev/pts  # for SSH/Telnet

# mount /dev as a tmpfs
mount -n -t tmpfs -o mode=0755 udev /dev

# copy default static devices, which were duplicated here
cp -a -f /lib/udev/devices/* /dev

# set hotplug agent
echo "/bin/mdev" > /proc/sys/kernel/hotplug

# start busybox mdev
/bin/mdev -s

前 4 行命令创建了 4 个虚拟文件系统：/proc /sys /tmp /dev/pts
第 5 行命令将 tmpfs 挂载到 /dev 使其成为一个空目录
第 6 行命令复制一组静态设备节点到 /dev 目录
第 7 行命令将热插拔代理设置为 /bin/mdev
第 8 行命令引导 mdev 处理所有自启动后“悬而未决”的内核 uevent

配置 mdev

一个名为 /etc/mdev.conf 的配置文件用来定制 mdev 的行为，如下例所示
.* 0:0 777 将默认的访问权限改为 777 默认的 user:group 则保持不变，还是 root:root
mouse* 0:0 660 input/ 将所有鼠标设备移动到 /dev 目录的 input 子目录中。

系统关机

有几个 Linux 工具可以帮助实现关机操作，包括 shutdown halt 和 reboot 命令。关机流程如下所示：

• 关机进程会向所有的进程发送 SIGTERM 信号，让用户进程完成自身的关机操作，比如关闭文件，保存状态等。
• 关机进程会向所有的进程发送 SIGKILL 信号，终止用户进程。
• 关机进程卸载所有已经挂载的文件系统，并调用与具体架构相关的关机或重启函数。