嵌入式Linux文件系統(tǒng)的構(gòu)建

 嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面，特別是在數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的今天，手持信息產(chǎn)品正拓展著一片越來越大的市場，PDA、手機、掌上電腦、信息家電等各式手持產(chǎn)品已擁有了龐大的用戶群。手持信息產(chǎn)品所運用的最關(guān)鍵的核心技術(shù)就是嵌入式操作系統(tǒng)。人們對嵌入式產(chǎn)品的需求也不再僅僅是功能單一的電子詞典類產(chǎn)品，嵌入式操作系統(tǒng)逐步成為嵌入式產(chǎn)品的核心。而其中，Linux以其開源的內(nèi)核和免費的應(yīng)用程序、能夠自由地移植和開發(fā)的優(yōu)勢，更迎合嵌入式市場。嵌入式Linux的開發(fā)大致可分為三個層次：引導(dǎo)裝載內(nèi)核、構(gòu)造文件系統(tǒng)和圖形用戶界面。作為操作系統(tǒng)重要組成部分的文件系統(tǒng)，決定了操作系統(tǒng)本身的信息和用戶的數(shù)據(jù)在存儲設(shè)備上的組織形式。對嵌入式文件系統(tǒng)的研究、設(shè)計和開發(fā)也逐漸成為嵌入式系 統(tǒng)研究領(lǐng)域的一個方向。

嵌入式Linux 文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)是指在一個物理設(shè)備上的任何文件組織和目錄，它構(gòu)成了Linux系統(tǒng)上所有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，Linux程序、庫、系統(tǒng)文件和用戶 文件都駐留其中，因此，它是系統(tǒng)中龐大復(fù)雜且又是最為基本和重要的資源。值得提出的是，Linux系統(tǒng)中的文件不僅包括普通的 文件和目錄，每個和設(shè)備相關(guān)的實際實體也都被映射為一個文件，例如磁盤、打印機、終端等等。這樣的設(shè)備文件又稱為特殊文件 。所以，Linux下的文件是操作系統(tǒng)服務(wù)和設(shè)備的簡單而又統(tǒng)一的接口，從某種意義上可以說，Linux里的一切事物都是文件。

在Linux中，文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是基于樹狀的，根在頂部，各個目錄和文件從樹根向下分支。目錄樹的最頂端被稱為根目錄(/)。在后面介紹的所構(gòu)造文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(圖1)即顯示了樹狀的文件系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)由一些目錄和許多文件組成，例如，圖中的/bi n目錄包含二進制文件的可執(zhí)行程序，/sbin目錄用于存儲管理系統(tǒng)的二進制文件，/etc目錄包含絕大部分的Linux系統(tǒng)配置文件 ，/lib目錄存儲程序運行時使用的共享庫，/dev目錄包含稱為設(shè)備文件的特殊文件，/proc目錄實際上是一個虛擬文件系統(tǒng)，/tmp目錄用于存儲程序運行時生成的臨時文件，/home目錄是用戶起始目錄的基礎(chǔ)目錄，/var目錄保存要隨時改變大小的文件，/usr目錄及其子目錄對Linux系統(tǒng)的操作非常重要，它保存著系統(tǒng)上的一些最重要的程序以及包含你安裝的大型軟件包。

由于Linux是一個多任務(wù)、多用戶的操作系統(tǒng)，因此它里面的文件還都被賦予了一定的權(quán)限，權(quán)限決定誰能讀、寫或執(zhí)行一個文件，以及這個文件的類型和如何執(zhí)行。例如下面的文件列表：

-rw-r-r-- 1 root root 1756 Sep 9 2005 inittab

其表示：這個名為inittab的文件是普通文件，所有者有讀寫的權(quán)限，所在組和其他人都只有讀的權(quán)限，它的連接數(shù)為1，所有者及 文件所屬的組都是root，文件中字節(jié)數(shù)為1756，文件創(chuàng)建日期是2005年9月9日。我們可以通過對文件屬性的設(shè)置，來滿足文件在不同用戶組、不同用戶操作下的不同狀態(tài)。

由于嵌入式設(shè)備的一些特殊性，使得嵌入式文件系統(tǒng)除了滿足一般文件系統(tǒng)的基本要求外，還有一些自身的特性：

文件系統(tǒng)面對的存儲介質(zhì)特殊;

文件系統(tǒng)有快速恢復(fù)的特殊要求;

物理文件系統(tǒng)的多樣性和動態(tài)可裝配性;

需要文件系統(tǒng)具有跨操作平臺的安全性;

文件系統(tǒng)要能滿足整個系統(tǒng)的實時性要求。

嵌入式文件系統(tǒng)有安全性和均衡負載這樣的要求，而日志型文件系統(tǒng)可以很好地解決安全性的問題。經(jīng)過幾年來的發(fā)展。日志型的嵌入式文件系統(tǒng)已成為嵌入式文件系統(tǒng)的主流。1999年。Axis

Communications AB發(fā)布了JFFS(JournalingFlash File System)的 第一個版本。這是一個專門為嵌入式系統(tǒng)的Flash設(shè)備而設(shè)計的文件系統(tǒng)，同時它也是一個日志型的文件系統(tǒng)。JFFS2是JFFS的第二 個版本，于2001年發(fā)布，并得到了Red Hat的支持，成為Red Hat嵌入式操作系統(tǒng)eCos的文件系統(tǒng)。Flash存儲容量的有限性決定了J FFS是一個小尺寸的文件系統(tǒng)。因而在文件系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)計上采用了許多簡化處理。同時，它們結(jié)合了Flash設(shè)備的讀寫特性和嵌入式文件系統(tǒng)的防斷電特性，使得JFFS成為適合于嵌入式系統(tǒng)上針對Flash設(shè)備的文件系統(tǒng)的理想選擇。

嵌入式Linux 文件系統(tǒng)的設(shè)計

● 實驗主機和目標(biāo)平臺的連接

實驗主機和目標(biāo)平臺的連接有兩種方法。一種是以太網(wǎng)連接，這種連接方式可以進行內(nèi)核文件、根文件系統(tǒng)映像文件的下載。另一 種是串口連接，這樣的連接方式可以供調(diào)試之用。對于以太網(wǎng)連接，作者使用一根普通網(wǎng)線，將實驗主機和目標(biāo)平臺都連接在Hub 上。這樣做既簡單，也不妨礙實驗主機與外部網(wǎng)絡(luò)的通訊。對于串口連接，用一根串口線連接目標(biāo)平臺的Ful Function UART(FFUA RT)串口和實驗主機的串口。主要是在調(diào)試階段使用這種連接方式，在目標(biāo)平臺的標(biāo)準輸入還未被驅(qū)動的情況下。用實驗主機的標(biāo)準輸入控制目標(biāo)平臺，向目標(biāo)平臺發(fā)控制命令。

● 構(gòu)建文件系統(tǒng)

首先建立一個文件系統(tǒng)的工作空間。創(chuàng)建目錄/bome/work，我們所構(gòu)造的文件系統(tǒng)就在work這個目錄中。建立基本目錄，如：bin，dev，etc，lib，mnt，proc，sbin，tmp，usr，vat，tools具體結(jié)構(gòu)圖見圖1(圖中所顯示的文件都是目錄文件)。其中，tools是便于開發(fā)而創(chuàng)建的目錄。因為整個系統(tǒng)要求盡量小，所以應(yīng)只包含一些必須的二進制程序。而開發(fā)過程中需要用到的命令就放在 tools中，將PATH 包含tools即可。/etc目錄下只包含了一些啟動過程的配置文件，/lib目錄下的modules于目錄包含了可動態(tài)加載到核心的各種模塊。另外，目錄var下還應(yīng)創(chuàng)建兩個子目錄log和run，負責(zé)記錄系統(tǒng)的日志和運行狀態(tài)。整個文件系統(tǒng)中除了tmp 和var目錄放在SDRAM內(nèi)以外，其他所有目錄都放在Flash中，因為trap和var中的內(nèi)容需要經(jīng)常寫入，所以放在可讀寫的RAM里。

插圖1: 構(gòu)建文件系統(tǒng)的樹狀結(jié)構(gòu)

當(dāng)在目標(biāo)平臺實現(xiàn)了一個嵌入式Linux之后，為了很好地管理操作系統(tǒng)和用戶的數(shù)據(jù)文件，引入了文件系統(tǒng)。物理文件系統(tǒng)是JFFS2 ，考慮到擴充物理文件系統(tǒng)的要求，保留了Linux的VFS層次?？紤]到存儲設(shè)備擴充的要求，在Linux內(nèi)核中加入了對MTD設(shè)備的支持。根據(jù)上面的敘述，可給出整個文件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖，見圖2所示。[!--empirenews.page--]

插圖2: 文件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

構(gòu)建文件系統(tǒng)最基本的要求就是系統(tǒng)能夠在此基礎(chǔ)上啟動運行起來，所以，/sbin下的init程序必不可少。init程序是引導(dǎo)過程完成后內(nèi)核運行的第一個程序，它能啟動全部其他程序。只要init完成運行全部必要的程序，系統(tǒng)就開始建立并開始運行。當(dāng)程序開始啟動時，init讀取一個配置文件inittab，這個文件位于/etc下，它確定了init在啟動和關(guān)機時的工作特性。在我們開發(fā)的這個嵌入式系統(tǒng)中，所有的文件內(nèi)容只需保留與開發(fā)要求有關(guān)的必須部分。

這個系統(tǒng)運行單用戶模式啟動：啟動后立即運行rc.sysinit腳本，進行系統(tǒng)初始化動作。rc.sysinit腳本也進行了精簡，只保留了以讀寫的方式重新加載(mount)根文件系統(tǒng)的操作(內(nèi)核啟動時只以只讀的方式加載了根文件系統(tǒng))，具體rc.sysinit腳本中的內(nèi)容 如下：

# Remount the root filesystem read-write

# mount -n -o remount.rw / mount -o remount.rw -n/dev/mtdblock2/mount -a

為了開發(fā)過程用戶與系統(tǒng)能進行交互，啟動了/bin/bash這個命令解釋器。用戶在鍵盤上輸入某些命令，bash將讀取輸入加以解析然后執(zhí)行該程序。/tools中的telnetd和/sbin中的pppd分別是遠程登陸和串口通訊的后臺程序，加入它們也是為了方便開發(fā)。

另外，為了盡量精簡內(nèi)核，程序都以動態(tài)鏈接庫文件的方式編譯，即當(dāng)程序運行到所需庫文件時才動態(tài)加載。所以保證庫文件的完整性就顯得相當(dāng)重要。為確保運行各種程序都能在/lib目錄中找到合適的庫文件，就干脆對/lib中的庫文件不作任何刪減，而完整的/lib目錄(含子目錄及全部庫文件)也不過2MB 大小。

● 配置文件系統(tǒng)用戶

這一步驟的實現(xiàn)，體現(xiàn)了該嵌入式操作系統(tǒng)的一大特色---安全性。為了防止系統(tǒng)中的文件被誤改或被惡意破壞，我們設(shè)置組和用戶，讓只有隸屬于特定組的特定用戶才能對特定的程序進行合法操作。/etc目錄中沒有列入管理組的group文件和管理用戶的pass wd文件，所以在設(shè)置文件或目錄的所有權(quán)時，全部用id號來代替組名和用戶名。用chown命令來改變文件的所有權(quán)，如chown 0.0 i nittab(前一個“0”代表屬組，后一個“0”代表用戶)，修改后的inittab文件的詳細信息為：-rw-r-r-- 1 0 0 237 Jul 26 l0：30 inittab

將系統(tǒng)中所有的文件和目錄按照其具體類型和要求，為其設(shè)定特定的組和用戶對它的所有權(quán)。例如,/etc中的module.conf配置文件的所有權(quán)是module組和module用戶。那么只有組和用戶同為module的程序(比如/lib/modules/中的程序)才有權(quán)查看module.c onf文件，其他非root用戶的程序都打不開這個文件。這樣，除了root用戶,其他不具有操作權(quán)限的用戶就不可能對那些特殊文件， 如有關(guān)網(wǎng)絡(luò)、安全等重要信息進行執(zhí)行和修改。而擁有root用戶權(quán)限的文件只有init和bash兩個。init用于完成系統(tǒng)的初始化過程，并不涉及對其他文件和程序的操作;bash是開發(fā)過程中用戶與系統(tǒng)交互的需要，便于對文件系統(tǒng)進行修改，開發(fā)完成后的實際系統(tǒng)并不需要bash，可刪除。這樣，各個文件和程序均在自己所屬的組和用戶中運行，不會互相干擾。使得整個系統(tǒng)有條不紊，不會發(fā)生程序越權(quán)誤操作的現(xiàn)象。保證了操作系統(tǒng)本身的安全性，也讓試圖竊取或破壞數(shù)據(jù)的攻擊者無機可乘。

根據(jù)需要，在基本文件系統(tǒng)上添加應(yīng)用程序基本文件系統(tǒng)完成后，再根據(jù)開發(fā)的實際要求，在上面再構(gòu)筑一些應(yīng)用和服務(wù)。例如，對于所需求的網(wǎng)絡(luò)功能，我們在/bin 中加入netstat、ping，在/sbin中加入ifconfig、route、xinetd等網(wǎng)絡(luò)程序：為了將一些服務(wù)以模塊的方式加載，以緩解內(nèi)核的負擔(dān) ，我們在/sbin中加入了insmod、lsmod、modprobe、depmod、rmmod等有關(guān)操作模塊的命令。還有，為了搭建開發(fā)過程的交叉編譯的環(huán)境，需要用到串口通訊，所以在/sbin中加入pppd的命令，在/etc中加入PPP目錄及其配置文件等等。

到此，一個滿足系統(tǒng)需求的嵌入式Linux文件系統(tǒng)就基本構(gòu)造完成。為了系統(tǒng)能在特定的嵌入式硬件設(shè)備上運行，系統(tǒng)中所有的二進制文件都必須是經(jīng)過特定的嵌入式開發(fā)編譯工具編譯，將編譯好的文件系統(tǒng)燒至嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)板中，調(diào)通串口，就可以進行調(diào)試和進一步的開發(fā)了。

嵌入式Linux 文件系統(tǒng)的進一步開發(fā)

按照上一部份給出的文件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，文件系統(tǒng)的實現(xiàn)主要在VFS層、物理文件系統(tǒng)層和MTD層。在Linux 2.4以后的版本中，JFFS2已經(jīng)作為一種標(biāo)準的文件系統(tǒng)被支持，所以使得Linux的VFS支持JFFS2并不是一件難事，在源代碼中也不用做修改。下面給出在MTD層，Linux的源代碼做的一些修改。另外，敘述JFFS2物理文件系統(tǒng)映像文件的生成。

支持MTD設(shè)備

對MTD設(shè)備的支持要經(jīng)過配置內(nèi)核、編寫設(shè)備驅(qū)動程序和建立MTD設(shè)備這幾個步驟。

第一步，配置內(nèi)核參數(shù)，選中Memory Technology Devices(MTD)support，下面的子項中至少要選擇MTD partitioning support、Direct char device access to MTD devices和Caching block device access to MTD devices這三項。其他的有關(guān)NFTL，CFI的支持根據(jù)需要選取。

第二步，編寫針對目標(biāo)平臺Flash設(shè)備的MTD驅(qū)動程序，主要實現(xiàn)創(chuàng)建MTD分區(qū)和刪除MTD分區(qū)的函數(shù)。創(chuàng)建分區(qū)的流程見圖3所示。刪除分區(qū)的函數(shù)比較簡單，如果存在MTD分區(qū)，就調(diào)用del_mtd_partitions(struct mtd info*)刪除分區(qū)，并且刪除為MTD設(shè)備創(chuàng)建的映射表。

插圖3: 創(chuàng)建MTD分區(qū)

第三步，將修改過的MTD驅(qū)動文件作為內(nèi)核文件的補丁，并給內(nèi)核文件打上這個補丁，最后，編譯生成內(nèi)核文件。

第四步，使用mknod命令建立MTD設(shè)備。

JFFS2映象文件的生成

首先，需要內(nèi)核支持JFFS2，因此在配置內(nèi)核參數(shù)時，選中File Systems下的Journaling Flash File System v2(JFFS2)support。假設(shè)從一個RAMDISK的文件系統(tǒng)中得到建立根文件系統(tǒng)所需的全部文件和系統(tǒng)所有的設(shè)備等信息。制作步驟如下：[!--empirenews.page--]

第一步，在開發(fā)主機上將這個Ramdisk以loop的方式掛接到某個臨時目錄下。在這個目錄下就出現(xiàn)了一些文件系統(tǒng)的基本文件和信息，可以做增刪以達到定制的目的。

第二步，修改/etc/rc.d/rc.sysinit文件，使得文件系統(tǒng)在remount時不會出現(xiàn)只讀的情況。具體修改如下：

Mount -n -o remount.rw//加入這一行

Mount -n -t proc/proc rw//在這一行中加入-n

第三步，使用mkfs.jffs2生成JFFFS2的映像文件。具體的命令格式如下：

Mkfs.jffs2 -d<文件系統(tǒng)所在目錄>-o<映像文件名>

這時，就得到了一個JFFS2的映像文件，將它下載到目標(biāo)平臺。最后就是如何掛載它，使它成為一個根文件系統(tǒng)了。在調(diào)試階段和最終系統(tǒng)成型之后，掛載的方式有所不同，而具體的掛載方法在前面已敘述，這里不再重復(fù)說明。

結(jié)語

我們構(gòu)造了一個嵌入式版本的Linux文件系統(tǒng)，它使得內(nèi)核在系統(tǒng)盡量精簡的情況下能夠運行起來，并滿足產(chǎn)品和系統(tǒng)各方面的要求。其中，為文件系統(tǒng)配置用戶和屬組以達到一定的安全性更是系統(tǒng)的一大特色。另外，在這個嵌入式文件系統(tǒng)中，引入了VFS的支持，雖然犧牲了一些空間，但是大大方便了今后各種物理文件系統(tǒng)的動態(tài)加載。Linux的文件系統(tǒng)事實上非常的龐大，構(gòu)造一個嵌入式的Linux文件系統(tǒng)是一個很復(fù)雜的過程。如何讓文件系統(tǒng)在保證安全的前提下精簡得更緊湊、運行得更有效率，是需要深入探索的一個課題。