工程師干貨：嵌入式雜談之文件系統(tǒng)

時間：2020-04-27 09:57:09

關鍵字：嵌入式工程師 BSP 內(nèi)存

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[導讀]????????文件系統(tǒng)可以說是嵌入式中的一大塊，也是繞不過的一部分。之前我對文件系統(tǒng)認知一直停留在在U盤格式的理解上，直到接觸了嵌入式Linux才發(fā)現(xiàn)這里面大有文章，以Linux啟動掛載根文件系統(tǒng)為例，這個文件系統(tǒng)可以是真正的存儲設備上的文件系統(tǒng)，也可以是

文件系統(tǒng)可以說是嵌入式中的一大塊，也是繞不過的一部分。之前我對文件系統(tǒng)認知一直停留在在U盤格式的理解上，直到接觸了嵌入式Linux才發(fā)現(xiàn)這里面大有文章，以Linux啟動掛載根文件系統(tǒng)為例，這個文件系統(tǒng)可以是真正的存儲設備上的文件系統(tǒng)，也可以是網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，甚至可以開辟一段內(nèi)存，虛擬出來一個文件系統(tǒng)，這些在一開始接觸嵌入式Linux開發(fā)的時候就算講到了講的也不會很深，我之前跟著某點教程走了一遍之后腦子里樹立起來了這個文件系統(tǒng)的概念，但是感覺還是模模糊糊，后來陸陸續(xù)續(xù)看了一些文章還有視頻，才慢慢有了較為清晰的認識。

了解了這些文件系統(tǒng)相關的知識，對理解Linux使用也有幫助，因為根目錄下的許多主要目錄都是基于文件系統(tǒng)虛擬出來的。

在這里強烈推薦大家入門接觸根文件系統(tǒng)以后，看一下麥子學院的有一個專門講文件系統(tǒng)的教程，講的非常詳細(墻裂推薦)，教程鏈接地址我放在文章最后，大家需要自取。

下面是我自己的個人筆記相關，大家也可以自己去看一遍完整的教程，如有錯誤，歡迎指正。

嵌入式常用文件系統(tǒng)

這是整個文件系統(tǒng)的勾勒圖，下面將以這個圖展開進行介紹

查看本機所有文件系統(tǒng)

使用df -ahT命令查看當前系統(tǒng)的所有文件系統(tǒng)

-h顯示大小

-T顯示文件系統(tǒng)類型

-a打印所有文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)總體介紹

一、內(nèi)核生成的文件系統(tǒng)

sysfs與proc文件系統(tǒng)是內(nèi)核自動生成的文件系統(tǒng) 。

分為兩類：

一類文件系統(tǒng)有大小，稱為基于存儲設備的文件系統(tǒng)。

一類文件系統(tǒng)根本無法查看大小，稱為基于邏輯的虛擬文件系統(tǒng)。

二、存儲設備文件系統(tǒng)

基于存儲設備的文件系統(tǒng)可以分為內(nèi)存文件系統(tǒng)和flash文件系統(tǒng)和擴展SD卡文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡文件系統(tǒng)。

三、內(nèi)存文件系統(tǒng)

內(nèi)存文件系統(tǒng)包括tmpfs和ramdisk。

tmpfs文件系統(tǒng)是一種臨時的文件系統(tǒng)，是由linux內(nèi)核來支持的，只需要在內(nèi)存中指定一個區(qū)域，指定最大的大小，就可以直接使用，不需要對內(nèi)存進行格式化。

ramdisk是將一部分固定大小的內(nèi)存（ RAM ）空間模擬出硬盤分區(qū)，斷電后會丟失。

四、flash文件系統(tǒng)

flash文件系統(tǒng)包括cramfs和squashfs和jffs/jffs2和yaffs/yaffs2和ubifs。

cramfs是只讀壓縮的文件系統(tǒng)，可以將文件系統(tǒng)進行壓縮，提高存儲效率。

squashfs是只讀壓縮的文件系統(tǒng)，相比于cramfs可以支持更大的單個文件大小。

jffs/jffs2是可以讀寫，壓縮的日志閃存文件系統(tǒng)，主要是應用于nor flash。

yaffs/yaffs2是另一種日志閃存文件系統(tǒng)，主要是為nand型flash設計的文件系統(tǒng)，為了應對flash容量的快速增長。

ubifs是作為jffs2的后繼文件系統(tǒng)，滿足大容量的需求。

五、擴展文件系統(tǒng)

擴展SD卡文件系統(tǒng)包括FAT32和ext2/ext3。

FAT32是微軟專為windows開發(fā)的文件系統(tǒng)，在windows上有很好的兼容性。

ext2/ext3是Linux上的日志文件系統(tǒng)，可靠性好，但在windows上支持不太好。

六、網(wǎng)絡文件系統(tǒng)

網(wǎng)絡文件系統(tǒng)包括NFS和Samba。

NFS是開發(fā)板與宿主機進行掛載的文件系統(tǒng)。

Samba是windows與Linux之間的共享機制。

七、虛擬文件系統(tǒng)

虛擬文件系統(tǒng)無法查看大小，稱為基于邏輯的虛擬文件系統(tǒng)。

基于邏輯的虛擬文件系統(tǒng)包括進程文件系統(tǒng)和設備文件系統(tǒng)。

進程文件系統(tǒng)在Linux上常用的是procfs文件系統(tǒng)，Linux啟動以后自動掛載在/proc目錄下。

設備文件系統(tǒng)在Linux上常用的是sysfs文件系統(tǒng)與devfs文件系統(tǒng)，sysfs文件系統(tǒng)在Linux啟動以后，自動掛載在sys目錄下。

但devfs文件系統(tǒng)在Linux內(nèi)核2.6以前使用，現(xiàn)在基本被廢棄。

八、存儲設備

存儲設備可以分為內(nèi)存和外存和網(wǎng)絡，外存還可以分為內(nèi)置和擴展。

內(nèi)存對應三、內(nèi)存文件系統(tǒng)。

外存對應四、flash文件系統(tǒng)。

網(wǎng)絡對應六、網(wǎng)絡文件系統(tǒng)。

內(nèi)置包括四、flash文件系統(tǒng)與三、內(nèi)存文件系統(tǒng)。

擴展對應五、擴展文件系統(tǒng)。

九、配置選項

要在嵌入式系統(tǒng)上使用這些文件系統(tǒng)，內(nèi)核必須支持這些文件系統(tǒng) 。

所以linux內(nèi)核裁剪的時候進行配置。

Linux內(nèi)核虛擬文件系統(tǒng)

目的是為了使用與文件接口統(tǒng)一的操作來完成系統(tǒng)信息管理。

包括procfs 、 devfs 、 sysfs。

內(nèi)核中首先需要配置支持這三種文件系統(tǒng)

procfs是Linux內(nèi)核信息的抽象文件接口，大量的內(nèi)核中的信息以及可調(diào)參數(shù)都被作為常規(guī)文件映射到了一個目錄樹中/proc。

這樣我們就可以簡單直接的通過echo和cat這樣的文件操作命令對系統(tǒng)信息進行查取和調(diào)整了。

大量的系統(tǒng)工具也通過procfs來獲取內(nèi)核參數(shù)，例如ps、lspci等。

一、procfs文件系統(tǒng)

首先對procfs進行掛載

# -t 是指定文件系統(tǒng)類型 ，第二個參數(shù)是掛載設備，因為是內(nèi)核設備，所以寫none，第三個參數(shù)是掛載目錄
mount -t proc none /proc
# 或者在 /etc/fstab條目下添加
none /proc proc defaults 0 0
在fstab下添加會在開機以后自動掛載

一旦proc卸載掉，那么df命令就無法使用了。

因為df命令實際是去查看/proc/mounts文件來查看信息。

很多命令例如ps都是通過proc目錄來查看系統(tǒng)信息。

再查看一下proc目錄下的文件：帶數(shù)字的表示是進程信息。

其他的都是系統(tǒng)信息

cmdline文件表示內(nèi)核啟動參數(shù)。

cpuinfo文件表示cpu信息。

meminfo文件表示內(nèi)存信息。

sys目錄表示系統(tǒng)運行相關的信息，包括內(nèi)核等，但斷電后重新上電會再次使用默認設置。

二、tmpfs文件系統(tǒng)

是一種虛擬內(nèi)存文件系統(tǒng)，使用內(nèi)存作為存儲分區(qū)進行文件的臨時性存取，掉電會丟失，創(chuàng)建時不需要使用mkfs進行格式化

使用如下命令進行掛載。

# -o 指定大小
mount -t tmpfs none -o size=10M /tmp

所以一般tmp目錄都是臨時創(chuàng)建的虛擬文件系統(tǒng)。

在這個文件夾下創(chuàng)建的文件斷電后會丟失。

所以通常使用這個目錄保存應用程序運行時的信息，不用擔心丟失。

作用是通過內(nèi)存的讀取速度提高程序效率，延長flash壽命。

三、devfs文件系統(tǒng)

Linux2.6內(nèi)核以前設備文件的抽象機制：提供了一種類似于文件的方法來管理位于/dev目錄下的所有設備。

特殊設備文件/dev/console以及/dev/tty。

/dev目錄下的zero以及null是黑洞文件，相當于輸入給黑洞文件的信息全部都會消失。

devfs文件系統(tǒng)后來集成到了sysfs文件系統(tǒng)。

devfs缺點:設備映射不同，沒有主/次設備號，不能支持太多設備。

四、sysfs文件系統(tǒng)

Linux內(nèi)核2.6以后引入sysfs文件系統(tǒng)：掛載于/sys目錄下，把實際連接到系統(tǒng)上的設備和總線組織成一個分級的文件。

用戶空間的程序也同樣可以使用這些信息實現(xiàn)和內(nèi)核的交互，該文件系統(tǒng)是當前系統(tǒng)上實際設備樹的一個直觀反映。

這些信息比/dev目錄下的信息更為詳細與豐富,準確。

每個設備在sysfs中都有唯一對應的目錄。

使用如下命令創(chuàng)建掛載點

## -t 是指定文件系統(tǒng)類型 ，第二個參數(shù)是掛載設備，因為是內(nèi)核設備，所以寫none，第三個參數(shù)是掛載目錄
mount -t sysfs none /sys
# 或者在 /etc/fstab條目下添加
none /sys sysfs defaults 0 0
# 在fstab下添加會在開機以后自動掛載

udev工具是管理熱插拔的工具，利用了sysfs提供的信息來實現(xiàn)所有devfs的功能，通過檢測設備的插入與拔出，動態(tài)的在/dev目錄下創(chuàng)建與刪除設備文件。

總結：一切皆文件的抽象思想，使得Linux系統(tǒng)的管理變得簡單統(tǒng)一。

嵌入式網(wǎng)絡文件系統(tǒng)

一、Network FileSystem

通過NFS掛載遠程主機目錄，訪問該目錄就像訪問本地目錄一樣。

使用NFS服務能夠方便的使各Linux系統(tǒng)之間實現(xiàn)共享。

Samba：在Linux與windows系統(tǒng)之間共享?；贑/S模式，客戶端-服務器模式。使用RPC(Remote Procedure Call，遠程過程調(diào)用)。

RPC定義了一種與系統(tǒng)無關的方法來實現(xiàn)進程間通信。

二、NFS服務安裝

# 安裝nfs
sudo apt-get install nfs-kernel-server
# 查看使用幫助
sudo server nfs-kernel-server
# 查看nfs服務狀態(tài)
sudo server nfs-kernel-server status
# 啟動nfs服務
sudo server nfs-kernel-server start
# 關閉nfs服務
sudo server nfs-kernel-server stop
# 重啟nfs服務
sudo server nfs-kernel-server restart
# 重新加載配置文件
sudo server nfs-kernel-server reload
# 強制重新加載配置文件
sudo server nfs-kernel-server force-reload

三、NFS設置

/etc/exports控制著nfs服務器導出的訪問目錄列表。

示例/home/yuzhou/linux/nfs *(rw,sync,no_root_squash)規(guī)則

/home/yuzhou/linux/nfs 表示要共享的目錄
*表示主機名，或者域名或者ip地址，* 表示允許所有主機訪問
(rw,sync,no_root_squash)表示共享參數(shù)
rw，表示允許讀寫
sync，表示實時同步
no_suntree_check，表示不檢測是否為共享目錄的子目錄
no_root_squash，表示root用戶擁有所有權限

showmount -a顯示所有客戶端的ip地址

showmount -e顯示所有導出的目錄列表

exportfs -r重新加載導出列表

三、開發(fā)板使用NFS

確保宿主機關閉防火墻，如果可以連接，也可以不關。

nfs內(nèi)核支持， Network FileSystem --> [] NFS Client。

查看開發(fā)板kernel是否支持NFS,使用cat /proc/filesystem命令，檢查是否有NFS一行，如下圖所示。

使用如下命令手動掛載nfs目錄。

# -t指定文件系統(tǒng)類型 目標設備 掛載點
mount -t nfs 192.168.1.10:/home/nfs /tmp

initramfs文件系統(tǒng)

內(nèi)核啟動的時候需要掛載根文件系統(tǒng)，所以要在內(nèi)核鏡像中對存儲設備進行初始化，但這樣會導致內(nèi)核鏡像過大。所以可以使用ramfs文件系統(tǒng)。

一、rootfs、ramfs、ramdisk與tmpfs區(qū)別

rootfs與 根文件系統(tǒng)的英文rootfs不同，它是指內(nèi)核啟動的初始根文件系統(tǒng)，內(nèi)核自身虛擬了一個文件系統(tǒng)，如果這個空間內(nèi)沒有文件系統(tǒng)，就回去查找其他文件系統(tǒng)。
ramfs是基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)，沒有內(nèi)存大小的限制，會動態(tài)增加容量,直至耗盡系統(tǒng)內(nèi)存，使用的是基于內(nèi)存的緩存，所以io效率高。
ramdisk是基于 ram的 塊設備,占據(jù)一塊固定的內(nèi)存，使用 mke2fs格式化工具創(chuàng)建文件系統(tǒng)，還需要一個文件系統(tǒng)驅動來讀寫其中的文件?？臻g固定導致容量有限，想要寫入更多內(nèi)容需要重新格式化。由于Linux塊設備緩沖的特點，所以 ramdisk上的數(shù)據(jù)會被拷貝到內(nèi)存上進行備份，造成內(nèi)存浪費。
ramfs的缺點是可能不同增長直至耗盡內(nèi)存，所以只有 root用戶或者被收授權的用戶可以允許使用 ramfs,但是 tmpfs增加了容量的限制，允許用戶把數(shù)據(jù)寫入交換分區(qū)，允許普通用戶使用。

二、initrd與initramfs

initrd是 intramfs之前的設計。
作用都是為了在掛載真正的根文件系統(tǒng)之前將設備驅動，工具以及一些初始化流程先加載到內(nèi)存中運行。
initrd基于 ramdisk技術， initrd的初始化程序是 /linuxrc文件，負責最終完成真正根文件系統(tǒng)的掛載。我們的Ubuntu上都會有一個 boot目錄，內(nèi)核從 boot分區(qū)找到 initrd鏡像，然后由 initrd鏡像完成真正跟文件系統(tǒng)的掛載。在PC上 initrd用的比較少， initramfs在嵌入式用的多。
initramfs的實現(xiàn)設計比 initrd更簡單，靈活一點。是基于 ramfs文件系統(tǒng)。不是在內(nèi)核啟動完成以后再從磁盤加載到內(nèi)存再進行掛載，而是構建到內(nèi)核鏡像中，所以內(nèi)核啟動完成以后，直接被拷貝到了 rootfs空間，作為初始根文件系統(tǒng)，完成掛載真正的根文件系統(tǒng)。

三、initramfs使用

使用如下命令打包initramfs鏡像

# 使用cpio命令進行打包
# -o指輸出 -H newc 指定打包格式為newc，這是initramfs必須指定的打包格式
# gzip是將它進行壓縮，此處可以壓縮也可以不壓縮
find .|cpio -o -H newc | gzip > ~/myinitramfs.cpio.gz

使用如下命令進行解壓查看

# -i 表示指定文件輸入進來 -d表示進行解壓
# --no-absolute-filenames表示不解壓到宿主機根目錄下
zcat hello.cpio.gz | cpio -i -d -H newc --no-absolute-filenames

需要在內(nèi)核配置中進行設置 General setup -->鏡像復制路徑以內(nèi)核源碼根目錄為根目錄

總結：Linux內(nèi)核 --> initrd/initramfs(包含根文件系統(tǒng)的設備驅動) --> Real Root Filesystem

詳細的官方描述文檔：內(nèi)核源碼目錄下 Documentation/filesysytems/ramfs-rootfs-initramfs.txt

嵌入式flash上的文件系統(tǒng)cramfs與squashfs

嵌入式系統(tǒng)上面為了提高安全性與降低文件系統(tǒng)的空間占用。

文件系統(tǒng)一般設置具有如下兩個特點：只讀 + 壓縮。

squashfs是cramfs的替代品。

cramfs全稱compressed ROM filesyatem,主要用于嵌入式Linux系,簡單與空間高效。

cramfs最大支持的256MB基本可以滿足嵌入式Linux要求，允許的最大文件系統(tǒng)大小為256+16=272MB,必須設置內(nèi)核的頁大小也為4KB，才可以正確讀取cramfs文件系統(tǒng)。

cramfs因為是對頁進行壓縮的，所以查看數(shù)據(jù)的時候先要知道數(shù)據(jù)在哪一頁才能進行解壓縮，這一點要求cramfs不能對元數(shù)據(jù)進行壓縮，否則無法查看元數(shù)據(jù)，不能進行判斷。

ACL是指訪問控制列表，可以對文件進行權限管理，在嵌入式系統(tǒng)中基本不需要。cramfs的超級塊與目錄結構不進行壓縮，所謂布局與管理相對來說比較簡單。

這里說的壓縮是指數(shù)據(jù)一直處于被壓縮狀態(tài)，只有真正使用的時候才會對數(shù)據(jù)進行解壓縮。

cramfs在2013年被linus標記為過時的文件系統(tǒng)，推薦使用aquashfs替代cramfs。

這兩個文件系統(tǒng)都是只讀文件系統(tǒng)。

嵌入式文件系統(tǒng)jffs/jffs2與yaffs/yaffs2

是專門針對閃存的特性進行設計。

flash閃存的類型：是一種非易失性存儲器，以塊為單元進行擦除和再編程任何flash的器件的寫入操作只能在空或者已經(jīng)擦除的單元內(nèi)進行，在進行寫入操作之前必須執(zhí)行擦除。分為硬件特性，存取特性，以及兩種特性決定的結論對比。

XIP是指片內(nèi)執(zhí)行功能，代碼可以直接存儲在flash上面，不需要拷貝到內(nèi)存。

針對flash設計的兩種文件系統(tǒng)對比。共性是都是為flash設計的，都是日志文件系統(tǒng)。

yaffs是針對大容量設計的文件系統(tǒng)，所以僅僅支持nand flash。

掉電保護，損耗平衡，垃圾回收都是為了保證數(shù)據(jù)可靠，提高使用壽命，以及提高存取效率。

掛載時間與內(nèi)存消耗是重點關注的兩個方面。

掛載時間決定了嵌入式系統(tǒng)的啟動時間，jaffs2會對整個文件系統(tǒng)進行全部盤掃描，將日志節(jié)點掃描出來，在內(nèi)存中創(chuàng)建文件系統(tǒng)的目錄結構。所以掛載時間慢，內(nèi)存消耗多。

舉例說明：

jaffs2掛載16M文件系統(tǒng)需要消耗半分鐘，而yaffs2是立即掛載

jaffs2在128M，頁大小為512K的文件系統(tǒng)上，大約會消耗4M內(nèi)存，而yaffs只需要512K字節(jié)。

Direct使用：

考慮到文件系統(tǒng)的移植性，yaffs2支持在沒有操作系統(tǒng)，沒有VFS，沒有MTD驅動的情況下，直接使用yaffs2，因為yaffs自帶nand flash 驅動,所以移植性，模塊性，擴展性更好，已經(jīng)被移植到UCOSII上。

ramdisk根文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)與操作系統(tǒng)通過某種形式連接起來(內(nèi)存，flash，網(wǎng)絡)。

將內(nèi)核的指針指向文件系統(tǒng)，讀出文件，內(nèi)核就可以啟動成功。

ramdisk稱為內(nèi)存磁盤。

# 設置相關參數(shù)
# root表示啟動的根文件系統(tǒng)在哪個設備
# 設備信息 ram nfs flash
# init進程是什么,內(nèi)核啟動后的第一個可執(zhí)行文件 init =
# 內(nèi)核啟動時，使用那個設備作為控制臺 console=

root = /dev/ram
initrd=<start_addr>,<size>
init=/linuxrc
console=ttymxc0

內(nèi)核可以自解壓.gz類型的壓縮包。