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嵌入式Linux系统构建

2019-07-12 17:53发布

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系统组成

嵌入式Linux系统由Linux内核与根文件系统两部分组成，两者缺一不可。

Linux内核与根文件系统的关系

开篇题外话：对于Linux初学者来说，这是一个很纠结的问题，但这也是一个很关键的问题！
一语破天机： “尽管内核是 Linux 的核心，但文件却是用户与操作系统交互所采用的主要工具。这对 Linux 来说尤其如此，这是因为在 UNIX 传统中，它使用文件 I/O 机制管理硬件设备和数据文件。”

一.什么是文件系统
文件系统指文件存在的物理空间，linux系统中每个分区都是一个文件系统，都有自己的目录层次结构。
Linux文件系统中的文件是数据的集合，文件系统不仅包含着文件中的数据而且还有文件系统的结构，所有Linux 用户和程序看到的文件、目录、软连接及文件保护信息等都存储在其中。这种机制有利于用户和操作系统的交互。
每个实际文件系统从操作系统和系统服务中分离出来，它们之间通过一个接口层：虚拟文件系统或VFS来通讯。VFS使得Linux可以支持多个不同的文件系统，每个表示一个VFS 的通用接口。由于软件将Linux 文件系统的所有细节进行了转换,所以Linux核心的其它部分及系统中运行的程序将看到统一的文件系统。Linux 的虚拟文件系统允许用户同时能透明地安装许多不同的文件系统。
在Linux文件系统中，EXT2文件系统、虚拟文件系统、/proc文件系统是三个具有代表性的文件系统。

二.什么是根文件系统
根文件系统首先是一种文件系统，该文件系统不仅具有普通文件系统的存储数据文件的功能，但是相对于普通的文件系统，它的特殊之处在于，它是内核启动时所挂载（mount）的第一个文件系统，内核代码的映像文件保存在根文件系统中，系统引导启动程序会在根文件系统挂载之后从中把一些初始化脚本（如rcS,inittab）和服务加载到内存中去运行。我们要明白文件系统和内核是完全独立的两个部分。在嵌入式中移植的内核下载到开发板上，是没有办法真正的启动Linux操作系统的，会出现无法加载文件系统的错误。
那么根文件系统在系统启动中到底是什么时候挂载的呢？先将/dev/ram0挂载，而后执行/linuxrc.等其执行完后。切换根目录，再挂载具体的根文件系统.根文件系统执行完之后，也就是到了Start_kernel()函数的最后，执行init的进程，也就第一个用户进程。对系统进行各种初始化的操作。
根文件系统之所以在前面加一个”根“，说明它是加载其它文件系统的”根“，既然是根的话，那么如果没有这个根，其它的文件系统也就没有办法进行加载的。它包含系统引导和使其他文件系统得以挂载（mount）所必要的文件。根文件系统包括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。成功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。在 Linux 中将一个文件系统与一个存储设备关联起来的过程称为挂载（mount）。使用 mount 命令将一个文件系统附着到当前文件系统层次结构中（根）。在执行挂装时，要提供文件系统类型、文件系统和一个挂装点。根文件系统被挂载到根目录下“/”上后，在根目录下就有根文件系统的各个目录，文件：/bin /sbin /mnt等，再将其他分区挂接到/mnt目录上，/mnt目录下就有这个分区的各个目录，文件。

三.什么是内核
Linux内核就像人的心脏，灵魂，指挥中心。内核是一个操作系统的核心,它负责管理系统的进程，内存，设备驱动程序，文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。内核以独占的方式执行最底层任务，保证系统正常运行。协调多个并发进程，管理进程使用的内存，使它们相互之间不产生冲突,满足进程访问磁盘的请求等.
操作系统是一个用来和硬件打交道并为用户程序提供一个有限服务集的低级支撑软件。一个计算机系统是一个硬件和软件的共生体，它们互相依赖，不可分割。计算机的硬件，含有外围设备、处理器、内存、硬盘和其他的电子设备组成计算机的发动机。但是没有软件来操作和控制它，自身是不能工作的。完成这个控制工作的软件就称为操作系统，在Linux的术语中被称为“内核”，也可以称为“核心”。Linux内核的主要模块（或组件）分以下几个部分：存储管理、CPU和进程管理、文件系统、设备管理和驱动、网络通信，以及系统的初始化（引导）、系统调用等。

四.内核与文件系统的关系
技术上说Linux是一个内核。“内核”指的是一个提供硬件抽象层、磁盘及文件系统控制、多任务等功能的系统软件。一个内核不是一套完整的操作系统。一套基于Linux内核的完整操作系统叫作Linux操作系统，或是GNU/Linux。
文件系统是kernel的一部分。文件系统实现了系统上存储介质和其他资源的交互。kernel tree中的fs目录都是关于文件系统的，可以说它是kernel的一个大子系统。
嵌入式系统在flash中分配了存放内核、根文件系统的区域。bootloader加载了内核，内核启动，加载文件系统，进入Linux系统。
整个嵌入式系统而言，可以分为三个部分1.uboot 2.kernel 3.文件系统。其中kernel中以VFS去支持各种文件系统，如yaffs，ext3，cramfs等等。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。在内核中以VFS来屏蔽各种文件系统的接口不同，以VFS向kernel提供一个统一的接口。如打开一个文件时统一使用open，写时采用write，而不用去考虑是那种文件系统，也不用去考虑文件系统是如何将数据写入物理介质的。其中 kernel中的配置，只是让VFS支持这种接口。

内核制作

制作嵌入式平台使用的Linux内核，方法和制作PC平台的Linux内核基本一致，下面使用对比的方式介绍如何制作用于开发板的内核。 1.清除原有配置和中间文件： x86：make distclean arm：make distclean
2.配置内核 x86：make menuconfig arm：make menuconfig ARCH=arm
3.编译内核 x86：make bzImage arm：make uImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-

文件系统

什么是文件系统？文件系统包含两个层次的含义，（1）按照固定格式组织的目录与文件（看得见）（2）在特定存储介质上管理这些目录和文件所需要的数据（看不见）。 制作根文件系统 如何制作嵌入式Linux所需要的根文件系统？1.创建目录和文件；2.为创建好的目录和文件建立管理数据。
1.创建目录和文件 mkdir rootfs cd rootfs mkdir bin  dev etc lib proc sbin sys usr mnt tmp var  mkdir usr/bin usr/lib usr/sbin lib/modules 2.创建设备文件 cd dev/ mknod -m 666 console c 5 1 mknod -m 666 null c 1 3 cd .. 3.安装/etc tar etc.tar.gz -C /xxx/rootfs 4.编译内核模块 进入Linux内核目录（Linux 2.6.36） make modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- 一部分内核功能被形成到了uImage中，剩下的功能是以内核模块的形式存在的，这些内核模块需要被编译出来，并安装到根文件系统当中。 5.安装内核模块 make modules_install ARCH=arm INSTALL_MOD_PATH=/xxx/rootfs  6.配置busybox 进入busybox目录执行make menuconfig a.进入Busybox Settings ->build Options-> .选中“Build busybox as a static binary”，静态链接 .Cross Compile prefix（arm-linux-） Installation Options-> .选中“Don't use /usr”,选中该项可以避免busybox被安装到宿主系统的/usr目录下，破坏宿主系统 .Busybox Installtion Prefix（/xxx/rootfs）该选项表明编译后的busybox的安装位置
7.编译、安装busybox .make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- make install

嵌入式文件系统

支持多种文件系统类型，包括ext2、ext3，vfat，jffs，romfs和nfs等，为了对各种文件系统进行统一的管理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应用编程接口。 文件系统架构： 根据存储设备的硬件特性、系统需求，不同的文件系统类型有不同的应用场合。在嵌入式Linux应用中，主要的存储设备为RAM和FLASH，常用的基于存储设备的文件系统类型包括：jffs2，yaffs，cramfs，ramdisk，ramfs等。
基于FLASH的文件系统：Flash作为嵌入式系统主要存储媒介，主要有NAND和NOR两种技术。FLASH的擦写次数是有限的，NAND闪存还有特殊的硬件接口和读写时序。因此，必须针对FLASH的硬件特性设计符合应用要求的文件系统。 JFFS：文件系统最早由瑞典Axis Communication公司基于Linux2.0内核为嵌入式系统开发的文件系统。JFFS2是RedHat公司基于jffs开发的闪存文件系统，最初是针对RedHat公司的嵌入式产品eCos开发的嵌入式文件系统，所以JFFS2也可以用在Linux，uCLinux中。 JFFS2：日志闪存文件系统版本2（Journalling Flash File System 2），主要用于Nor型Flash，基于MTD驱动层，特点是：可读写、支持数据压缩的日志型文件系统，并提供了崩溃/掉电安全保护等，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的运行速度大大缓慢。 yaffs/yaffs2是为NAND型flash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，挂载时间较短，对内存的占用较小。另外，他还是跨平台的文件系统，除了Linux和eCos，还支持WINce，psos，threadx等。 cramfs：它是Linux创始人linus参与开发的一种只读的压缩文件系统，它也基于MTD驱动程序，cramf文件系统以压缩方式存储，在运行时解压缩，所有的应用程序要求被拷到ram里去运行，另外，它的速度快，效率高，其只读的特点有利于保护文件系统被破坏，提高了系统的保护性。
实例演示-Initramfs：1.使用Initramfs制作根文件系统；2.配置内核使用Initramfs。 1.配置Linux内核，支持inittramfs 2.进入制作好的根文件系统中执行：ln -s ./bin/busybox init 3.重新编译内核。
实例演示-NFS：配置内核使用NFS作为根文件系统启动。

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