嵌入式根文件系統(tǒng)的移植和制作詳解

一.文件系統(tǒng)簡介

理論上說一個嵌入式設(shè)備如果內(nèi)核能夠運(yùn)行起來，且不需要運(yùn)行用戶進(jìn)程的話，是不需要文件系統(tǒng)的，文件系統(tǒng)簡單的說就是一種目錄結(jié)構(gòu)，由于 linux操作系統(tǒng)的設(shè)備在系統(tǒng)中是以文件的形式存在，將這些文件進(jìn)行分類管理以及提供和內(nèi)核交互的接口，就形成一定的目錄結(jié)構(gòu)也就是文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)是為用戶反映系統(tǒng)的一種形式，為用戶提供一個檢測控制系統(tǒng)的接口。

根文件系統(tǒng)，我認(rèn)為根文件系統(tǒng)就是一種特殊的文件系統(tǒng),那么根文件系統(tǒng)和普通的文件系統(tǒng)有什么區(qū)別呢?由于根文件系統(tǒng)是內(nèi)核啟動時掛在的第一個文件系統(tǒng)，那么根文件系統(tǒng)就要包括Linux啟動時所必須的目錄和關(guān)鍵性的文件，例如Linux啟動時都需要有init目錄下的相關(guān)文件，在 Linux掛載分區(qū)時Linux一定會找/etc/fSTab這個掛載文件等，根文件系統(tǒng)中還包括了許多的應(yīng)用程序bin目錄等，任何包括這些Linux 系統(tǒng)啟動所必須的文件都可以成為根文件系統(tǒng)。

Linux支持多種文件系統(tǒng)，包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等，為了對各類文件系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，Linux引入了虛擬文件系統(tǒng)VFS(Virtual File System)，為各類文件系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的操作界面和應(yīng)用編程接口。

 

 

Linux啟動時，第一個必須掛載的是根文件系統(tǒng);若系統(tǒng)不能從指定設(shè)備上掛載根文件系統(tǒng)，則系統(tǒng)會出錯而退出啟動。之后可以自動或手動掛載其他的文件系統(tǒng)。因此，一個系統(tǒng)中可以同時存在不同的文件系統(tǒng)。

不同的文件系統(tǒng)類型有不同的特點(diǎn)，因而根據(jù)存儲設(shè)備的硬件特性、系統(tǒng)需求等有不同的應(yīng)用場合。在嵌入式Linux應(yīng)用中，主要的存儲設(shè)備為 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存儲器)，常用的基于存儲設(shè)備的文件系統(tǒng)類型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

1. 基于Flash的文件系統(tǒng)

flash(閃存)作為嵌入式系統(tǒng)的主要存儲媒介，有其自身的特性。Flash的寫入操作只能把對應(yīng)位置的1修改為0，而不能把0修改為1(擦除 Flash就是把對應(yīng)存儲塊的內(nèi)容恢復(fù)為1)，因此，一般情況下，向Flash寫入內(nèi)容時，需要先擦除對應(yīng)的存儲區(qū)間，這種擦除是以塊(block)為單位進(jìn)行的。

閃存主要有NOR和NAND兩種技術(shù)。Flash存儲器的擦寫次數(shù)是有限的，NAND閃存還有特殊的硬件接口和讀寫時序。因此，必須針對Flash的硬件特性設(shè)計(jì)符合應(yīng)用要求的文件系統(tǒng);傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)如ext2等，用作Flash的文件系統(tǒng)會有諸多弊端。

一塊Flash芯片可以被劃分為多個分區(qū)，各分區(qū)可以采用不同的文件系統(tǒng);兩塊Flash芯片也可以合并為一個分區(qū)使用，采用一個文件系統(tǒng)。即文件系統(tǒng)是針對于存儲器分區(qū)而言的，而非存儲芯片。

在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存儲技術(shù)設(shè)備)為底層硬件(閃存)和上層(文件系統(tǒng))之間提供一個統(tǒng)一的抽象接口，即Flash的文件系統(tǒng)都是基于MTD驅(qū)動層的(參見上面的Linux下的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖)。使用MTD驅(qū)動程序的主要優(yōu)點(diǎn)在于，它是專門針對各種非易失性存儲器(以閃存為主)而設(shè)計(jì)的，因而它對Flash有更好的支持、管理和基于扇區(qū)的擦除、讀/寫操作接口。

(1) jffs2

JFFS文件系統(tǒng)最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的內(nèi)核為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的文件系統(tǒng)。JFFS2是RedHat公司基于JFFS開發(fā)的閃存文件系統(tǒng)，最初是針對RedHat公司的嵌入式產(chǎn)品eCos開發(fā)的嵌入式文件系統(tǒng)，所以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。

Jffs2: 日志閃存文件系統(tǒng)版本2 (Journalling Flash Filesystem v2)

主要用于NOR型閃存，基于MTD驅(qū)動層，特點(diǎn)是：可讀寫的、支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮的、基于哈希表的日志型文件系統(tǒng)，并提供了崩潰/掉電安全保護(hù)，提供“寫平衡”支持等。缺點(diǎn)主要是當(dāng)文件系統(tǒng)已滿或接近滿時，因?yàn)槔占年P(guān)系而使jffs2的運(yùn)行速度大大放慢。

jffs不適合用于NAND閃存主要是因?yàn)镹AND閃存的容量一般較大，這樣導(dǎo)致jffs為維護(hù)日志節(jié)點(diǎn)所占用的內(nèi)存空間迅速增大，另外，jffs文件系統(tǒng)在掛載時需要掃描整個FLASH的內(nèi)容，以找出所有的日志節(jié)點(diǎn)，建立文件結(jié)構(gòu)，對于大容量的NAND閃存會耗費(fèi)大量時間。

(2) yaffs：Yet Another Flash File System

yaffs/yaffs2是專為嵌入式系統(tǒng)使用NAND型閃存而設(shè)計(jì)的一種日志型文件系統(tǒng)。與jffs2相比，它減少了一些功能(例如不支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮)，所以速度更快，掛載時間很短，對內(nèi)存的占用較小。另外，它還是跨平臺的文件系統(tǒng)，除了Linux和eCos，還支持WinCE, pSOS和ThreadX等。

yaffs/yaffs2自帶NAND芯片的驅(qū)動，并且為嵌入式系統(tǒng)提供了直接訪問文件系統(tǒng)的API，用戶可以不使用Linux中的MTD與VFS，直接對文件系統(tǒng)操作。當(dāng)然，yaffs也可與MTD驅(qū)動程序配合使用。

yaffs與yaffs2的主要區(qū)別在于，前者僅支持小頁(512 Bytes) NAND閃存，后者則可支持大頁(2KB) NAND閃存。同時，yaffs2在內(nèi)存空間占用、垃圾回收速度、讀/寫速度等方面均有大幅提升。

(3) Cramfs：Compressed ROM File System

Cramfs是Linux的創(chuàng)始人 Linus Torvalds參與開發(fā)的一種只讀的壓縮文件系統(tǒng)。它也基于MTD驅(qū)動程序。

在cramfs文件系統(tǒng)中，每一頁(4KB)被單獨(dú)壓縮，可以隨機(jī)頁訪問，其壓縮比高達(dá)2:1,為嵌入式系統(tǒng)節(jié)省大量的Flash存儲空間，使系統(tǒng)可通過更低容量的FLASH存儲相同的文件，從而降低系統(tǒng)成本。

Cramfs文件系統(tǒng)以壓縮方式存儲，在運(yùn)行時解壓縮，所以不支持應(yīng)用程序以XIP方式運(yùn)行，所有的應(yīng)用程序要求被拷到RAM里去運(yùn)行，但這并不代表比 Ramfs需求的RAM空間要大一點(diǎn)，因?yàn)镃ramfs是采用分頁壓縮的方式存放檔案，在讀取檔案時，不會一下子就耗用過多的內(nèi)存空間，只針對目前實(shí)際讀取的部分分配內(nèi)存，尚沒有讀取的部分不分配內(nèi)存空間，當(dāng)我們讀取的檔案不在內(nèi)存時，Cramfs文件系統(tǒng)自動計(jì)算壓縮后的資料所存的位置，再即時解壓縮到 RAM中。

另外，它的速度快，效率高，其只讀的特點(diǎn)有利于保護(hù)文件系統(tǒng)免受破壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。

由于以上特性，Cramfs在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。[!--empirenews.page--]

但是它的只讀屬性同時又是它的一大缺陷，使得用戶無法對其內(nèi)容對進(jìn)擴(kuò)充。

Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在別的文件系統(tǒng)里，使用loopback 設(shè)備可以把它安裝別的文件系統(tǒng)里。

(4) Romfs

傳統(tǒng)型的Romfs文件系統(tǒng)是一種簡單的、緊湊的、只讀的文件系統(tǒng)，不支持動態(tài)擦寫保存，按順序存放數(shù)據(jù)，因而支持應(yīng)用程序以XIP(eXecute In Place，片內(nèi)運(yùn)行)方式運(yùn)行，在系統(tǒng)運(yùn)行時，節(jié)省RAM空間。uClinux系統(tǒng)通常采用Romfs文件系統(tǒng)。

其他文件系統(tǒng)：fat/fat32也可用于實(shí)際嵌入式系統(tǒng)的擴(kuò)展存儲器(例如PDA, Smartphone, 數(shù)碼相機(jī)等的SD卡)，這主要是為了更好的與最流行的Windows桌面操作系統(tǒng)相兼容。ext2也可以作為嵌入式Linux的文件系統(tǒng)，不過將它用于 FLASH閃存會有諸多弊端。

2. 基于RAM的文件系統(tǒng)

(1) Ramdisk

Ramdisk是將一部分固定大小的內(nèi)存當(dāng)作分區(qū)來使用。它并非一個實(shí)際的文件系統(tǒng)，而是一種將實(shí)際的文件系統(tǒng)裝入內(nèi)存的機(jī)制，并且可以作為根文件系統(tǒng)。將一些經(jīng)常被訪問而又不會更改的文件(如只讀的根文件系統(tǒng))通過Ramdisk放在內(nèi)存中，可以明顯地提高系統(tǒng)的性能。

在Linux的啟動階段，initrd提供了一套機(jī)制，可以將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)一起載入內(nèi)存。

(2)ramfs/tmpfs

Ramfs是Linus Torvalds開發(fā)的一種基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)，工作于虛擬文件系統(tǒng)(VFS)層，不能格式化，可以創(chuàng)建多個，在創(chuàng)建時可以指定其最大能使用的內(nèi)存大小。(實(shí)際上，VFS本質(zhì)上可看成一種內(nèi)存文件系統(tǒng)，它統(tǒng)一了文件在內(nèi)核中的表示方式，并對磁盤文件系統(tǒng)進(jìn)行緩沖。)

Ramfs/tmpfs文件系統(tǒng)把所有的文件都放在RAM中，所以讀/寫操作發(fā)生在RAM中，可以用ramfs/tmpfs來存儲一些臨時性或經(jīng)常要修改的數(shù)據(jù)，例如/tmp和/var目錄，這樣既避免了對Flash存儲器的讀寫損耗，也提高了數(shù)據(jù)讀寫速度。

Ramfs/tmpfs相對于傳統(tǒng)的Ramdisk的不同之處主要在于：不能格式化，文件系統(tǒng)大小可隨所含文件內(nèi)容大小變化。

Tmpfs的一個缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)重新引導(dǎo)時會丟失所有數(shù)據(jù)。

3. 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS (Network File System)

NFS是由Sun開發(fā)并發(fā)展起來的一項(xiàng)在不同機(jī)器、不同操作系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)共享文件的技術(shù)。在嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試階段，可以利用該技術(shù)在主機(jī)上建立基于NFS的根文件系統(tǒng)，掛載到嵌入式設(shè)備，可以很方便地修改根文件系統(tǒng)的內(nèi)容。

以上討論的都是基于存儲設(shè)備的文件系統(tǒng)(memory-based file system)，它們都可用作Linux的根文件系統(tǒng)。實(shí)際上，Linux還支持邏輯的或偽文件系統(tǒng)(logical or pseudo file system)，例如procfs(proc文件系統(tǒng))，用于獲取系統(tǒng)信息，以及devfs(設(shè)備文件系統(tǒng))和sysfs，用于維護(hù)設(shè)備文件。

我們要移植的開發(fā)板的存儲設(shè)備為Nandflash，我們可以用應(yīng)用比較廣泛的cramfs文件系統(tǒng)。

二.移植準(zhǔn)備

1.目標(biāo)板

我們還是使用之前移植過程一直使用的開發(fā)板參數(shù)。

2.軟件準(zhǔn)備

(1)Busybox

Busybox被形象的稱為嵌入式linux系統(tǒng)中的瑞士軍刀，可以從這個稱呼中看到busybox是一個集多種功能于一身的東西，它將許多常用的UNIX命令和工具結(jié)合到了一個單獨(dú)的可執(zhí)行程序中。雖然與相應(yīng)的GNU工具比較起來,busybox所提供的功能和參數(shù)略少,但在比較小的系統(tǒng)(例如啟動盤)或者嵌入式系統(tǒng)中,已經(jīng)足夠了。

Busybox在設(shè)計(jì)上就充分考慮了硬件資源受限的特殊工作環(huán)境。它采用一種很巧妙的辦法減少自己的體積：所有的命令都通過“插件”的方式集中到一個可執(zhí)行文件中,在實(shí)際應(yīng)用過程中通過不同的符號鏈接來確定到底要執(zhí)行哪個操作。例如最終生成的可執(zhí)行文件為busybox,當(dāng)為它建立一個符號鏈接ls的時候,就可以通過執(zhí)行這個新命令實(shí)現(xiàn)列目錄的功能。采用單一執(zhí)行文件的方式最大限度地共享了程序代碼,甚至連文件頭、內(nèi)存中的程序控制塊等其他操作系統(tǒng)資源都共享了,對于資源比較緊張的系統(tǒng)來說,真是最合適不過了。

在busybox的編譯過程中,可以非常方便地加減它的“插件”,最后的符號鏈接也可以由編譯系統(tǒng)自動生成。

編譯busybox

Busybox的編譯過程與內(nèi)核的編譯過程很接近都是先make menuconfig進(jìn)行配置，然后在make進(jìn)行編譯。

【1】從http://www.busybox.net/downloads/下載busybox工具。這里我們選擇busybox-1.13.4.tar.bz2

【2】解壓busybox-1.13.4.tar.bz2使用命令

tar jxvf busybox-1.13.4.tar.bz2

【3】進(jìn)入busybox目錄，修改Makefile 在164行 CROSS_COMPILE=arm-linux-

 

 

【4】Make menuconfig進(jìn)行配置，可以選擇靜態(tài)編譯，如果是動態(tài)編譯的話要拷貝相應(yīng)的庫文件，默認(rèn)配置保存即可。

 

 

【5】make all install

這是會在busybox目錄下生成_install文件夾。

(2)文件系統(tǒng)打包工具

【1】從http://prdownloads.sourceforge.net/cramfs/下載cramfs工具。

【2】解壓cramfs-1.1.tar.gz使用命令：tar zxvf cramfs-1.1.tar.gz

【3】進(jìn)入cramfs工具的根目錄執(zhí)行make。

【4】Make后在cramfs工具的根目錄中就會生成一個mkcramfs文件，這個就是我們需要的工具。

三.制作過程

1.建立根文件系統(tǒng)目錄

就是之前busybox生成的_install目錄 cd …/_install

2.創(chuàng)建各種必要的系統(tǒng)文件目錄。

mkdir dev lib tmp proc

3.創(chuàng)建設(shè)備文件。

cd dev

mknod fb0 c 29 0 建立framebuffer設(shè)備文件

mknod ts0 c 13 128 建立觸摸屏設(shè)備文件

mknod console c 5 1

mknod tty0 c 4 0

mknod tty1 c 4 1

mknod tty2 c 4 2

mknod tty3 c 4 3

mknod tty4 c 4 4[!--empirenews.page--]

4.添加必要的庫文件，由于之前沒有選擇靜態(tài)編譯busybox，這里要拷貝相應(yīng)的庫文件

cd lib

cp –arf …/arm-linux/lib/* .

5.根據(jù)自己需要添加應(yīng)用程序

這里我們編寫一個簡單的應(yīng)用程序打印一句問候語，程序代碼如下：

#include

void main()

{

printf(“Hello Worldn”);

}

注意編譯時要使用arm-linux-gcc，由于之前我們把編譯器的庫文件全部進(jìn)行拷貝，可以直接動態(tài)編譯。生成的可執(zhí)行文件hello放入tmp文件夾。使用的命令：

rm-linux-gcc hello.c –o hello

cp –arf …/_install/tmp/

6.打包

mkcramfs _install rootfs

四.燒寫過程

我們采用的燒寫方法和燒寫內(nèi)核的方法一樣內(nèi)核的燒，我們采用tftp方式，用網(wǎng)線將目標(biāo)板和pc機(jī)連接起來，配置好目標(biāo)板的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，主要是serverip、ipaddr。

首先將rootfs下載到內(nèi)存中：#tftp 30008000 rootfs

按照之前內(nèi)核的nandflash分區(qū)進(jìn)行燒寫，將內(nèi)存中的文件系統(tǒng)燒寫到flash中：

#nand erase 500000 3b00000

#nand write 30008000 500000 3b00000

重啟uboot使其加載文件系統(tǒng)。

可以看到內(nèi)核啟動，不在出現(xiàn)panic，這時會提示回車，回車后進(jìn)入命令行，我們可以使用一些linux的常用命令，如：ls、cd、vi等。

如下圖所示：

 

 

注意：我們這里使用的是PUTTY串口顯示軟件，如果用之前的DNW查看串口信息，會出現(xiàn)下面的錯誤：

 

 

可以看到第一個目錄 [1;34mbin [0m

會發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的信息除了bin目錄外還有其他的內(nèi)容，這并不是文件系統(tǒng)的問題只是DNW這款軟件并不支持這些表示色彩的附加信息，換成PUTTY可以正常顯示了。

我們可以運(yùn)行一下我們自己的應(yīng)用程序hello：./hello

可以看到打印信息Hello World如下圖所示：