嵌入式ROOTFS transplantation

作一个嵌入式Linux rootfs，并且实现 web 服务

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/

3.根文件系统的组成

•目录  内容

•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

•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/uClibc。

•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。

•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。

 

4. 定制文件系统 ,基于 ELDK，busybox

•安装ELDK:

#mount –o loop arm-2008-11-24.iso /mnt

•#/mnt/install –d /opt/eldk

•#mkdir rootfs ；假定以下内容都是在 rootfs 目录下：

•4.1自定义文件系统

•目录bin

•-------->用busybox编译,下面说明

•目录sbin

•-------->用busybox编译,下面说明

•目录usr

•-------->建立bin sbin两个空目录 

•目录var

•-------->建立log空目录 

•目录etc

•------->可以把/opt /eldk/arm下或者s3c2410_recover

•的etc 拷贝过来修改,怎么修改下面说明，需要包括：

•inittab

•rc.local -> rc.d/rc.local

•rc.sysinit -> rc.d/rc.sysinit

•

目录dev

•------->这里不能直接从/opt/eldk/下 拷贝

•       应当如下制作否则系统启动是会说明找不到设备文件console之类

•      cd /  rootfs/dev

•      /mnt/ELDK_MAKEDEV  //ELDK_MAKEDEV从 ELDK ISO 文件里copy出来

•这样在目录dev 节点文件就出现了

•目录lib

•------->如果是采用静态编译，这里就空着；

•如果采用动态编译 ，

从s3c2410_recover\lib

•或 /usr/local/arm/3.4.1/arm-linux/lib

•或/opt/eldk/arm/lib copy 过来，再裁减lib 库

•目录 proc

•------->空着但必须有这目录

•4.2.etc/下文件内容修改

•4.2.1 etc/rc.d/rc.sysinit

•这里你还可以按自己的要求修改

•4.2.2 etc/rc.d/rc.local

•以后要启动的程序你可以加在这里

•=============================================================

•#!/bin/sh

•#

•# This script will be executed *after* all the other init scripts.

•# You can put your own initialization stuff in here if you don't

•# want to do the full Sys V style init stuff.

•#touch /var/lock/subsys/local

•=======================================

•4.2.3 etc/inittab

•init启动后会首先执行这个文件

•===========================================================•#

•# inittab       This file describes how the INIT process should set up

•#               the system in a certain run-level.

•# Default runlevel. The runlevels used by RHS are:

•#   0 - halt (Do NOT set initdefault to this)

•#   1 - Single user mode

•#   2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not have networking)

•#   3 - Full multiuser mode

•#   4 - unused

•#   5 - X11

•#   6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)

•#

【1】文件系统

挂载文件系统
  mount  -t     vfat                               /dev/mmcblk1p1    /mnt
  挂载         指定需要挂载的文件系统的类型       设备节点（文件）  挂载点（文件系统挂载到rootfs的地方）

【2】内核调试

1）点灯是用 GPIO 作为输出，观察程序运行阶段和状态的方法
 
 2）printk
   内核解压后
   信息输出显示是在 console 初始化之后

printascii
   console初始化前

printk打印级别：数字越低，级别越高
   

1. #define KERN_EMERG "<0>" /* system is unusable */
2.  #define LERT "<1>” /* action must be taken immediately */
3.  #define KERN_CKERN_ARIT "<2>" /* critical conditions */
4.  #define KERN_ERR "<3>" /* error conditions */
5.  #define KERN_WARNING "<4>" /* warning conditions */
6.  #define KERN_NOTICE "<5>" /* normal but significant condition */
7.  #define KERN_INFO "<6>" /* informational */
8.  #define KERN_DEBUG "<7>" /* debug-level messages

ubuntu系统：
   
   通过proc在运行时查看和修改日志级别
   cat /proc/sys/kernel/printk
    4 4 1 7
    echo “7 4 1 7” >/proc/sys/kernel/printk
    cat /proc/sys/kernel/printk
    7 4 1 7
 3）OOPS
    pc寄存器保存内核崩溃时，运行的地址

定位                  系统崩溃时的地址
linux@ubuntu:~/work/day_2/linux-3.14-fs4412$ arm-none-linux-gnueabi-addr2line 0xc0278e1c       
-e vmlinux               -f
指定定位镜像文件     指定出错的文件以及行号
 
    dm9000_probe
    /home/linux/work/day_2/linux-3.14-fs4412/drivers/net/ethernet/davicom/dm9000.c:1414

4）调试信息
  调试信息一般显示在两个地方 ：终端、log日志
 
  klogd进程：执行系统调用，去访问内核的打印消息
  syslog进程：记录非内核打印的消息
 
 
  void openlog(const char *ident, int option, int facility);
  功能：打开日志
  参数：ident  日志的标志
        option     LOG_PID        Include PID with each message.  打印的消息附加上进程ID

                       LOG_CONS       Write directly to system console if there is an error while sending to system logger.
                                                  把消息显示到log日志
        facility   表示的是消息出自于什么类型的进程
        LOG_DAEMON     system daemons without separate facility value
        void syslog(int priority, const char *format, ...);
        功能：将消息显示到日志中
        参数：priority  级别
                         LOG_WARNING    warning conditio

                         LOG_NOTICE     normal, but significant, condition

LOG_INFO       informational message

LOG_DEBUG      debug-level message

void closelog(void);
  功能：关闭日志
 
  查看日志消息： var/log/syslog日志

【3】文件系统

文件系统：文件存储的格式
 文件系统的类型：
 磁盘文件系统:驻留在磁盘上的文件系统
 FAT16、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3、EXT4 
 网络文件系统：可以远程访问的文件系统
 nfs(network filesystem)
 内存文件系统：存在内存上的文件系统
 tmpfs
 只读文件系统：
 cramfs
 
 根文件系统（root  filesystem）是存放运行、维护系统所必须的各种工具软件、库文件、脚本、
            配置文件和其他特殊文件的地方，也可以安装各种软件包。

根文件系统是内核运行之后，加载的第一个文件系统，是其他文件系统的根，可用来挂载其他类型的文件系统，也可视其为特殊的文件系统
 必须存在，不存在内核无法运行
  
 文件系统的目录结构：
        /etc  存放内核所需要的配置文件（启动文件）
====================================================================
        /bin: 普通用户和root用户都能执行的基本程序
               ping, mknod, mount, tar, grep, gzip, etc
        /sbin: root用户能执行的基本程序
               int, insmod, route, mkfs, rmmod, ifconfig
   ====================================================================
        /usr/bin: 更多非必须的用户程序
               autorun, bibtex, latex, biff, ftp, wc, whereis, whoami
        /usr/sbin: 更多非必须的root工具程序
               automount, httpd, in.telnetd, in.talkd, sendmail
        ====================================================================
        /proc  挂载proc文件系统，记录进程的信息
/sys   挂载sysfs文件系统，记录内核所需的特殊文件，设备，总线等信息
/mnt   临时挂载点，挂载其他文件系统使用
/tmp   临时挂载点，挂载其他文件系统使用
====================================================================
        /dev   设备节点（文件）

【4】根文件系统的制作

1）make
    生成bin sbin usr/bin usr/sbin linuxrc

2）mkdir  dev  etc  mnt  proc  var  tmp  sys  root

3）/etc
    inittab  fstab  init.d/rcS  profile

inittab   
 |
 |
fstab
 |
 |
init.d ---- rcS
 |
 |
profile
 
    1)initab  内核在加载rootfs的时候，解析该文件

1.  ::sysinit:/etc/init.d/rcS 文件系统中运行第一个脚本
2.  :askfirst:-/bin/sh 指定脚本的类型
3.  ::restart:/sbin/init 文件系统运行的第一个进程（sbin/init） init=/linuxrc 守护进程
4.  开启当前的shell环境，服务其他进程，打开其他进程
5.  ::ctrlaltdel:/sbin/reboot reboot系统重启

2）init.d/rcS

1.  #!/bin/sh
2.  # This is the first script called by init process
3.  /bin/mount -a 执行挂载，与之匹配的是fstab中设置好的挂载点
4.  echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug 生效热插拔机制
5.  /sbin/mdev -s

3）fstab  设置不同的文件系统的挂载点
      #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

4）申明库文件，以及进程的路径
     export HOSTNAME=farsight
     export USER=root

PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin
     LD_LIBRARY_PATH=/lib:/usr/lib:$LD_LIBRARY_PATH