嵌入式根文件系统的移植和制作详解

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、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。

　　1. 基于FLASH的文件系统

　　Flash(闪存)作为嵌入式系统的主要存储媒介，有其自身的特性。Flash的写入操作只能把对应位置的1修改为0，而不能把0修改为1(擦除 Flash就是把对应存储块的内容恢复为1)，因此，一般情况下，向Flash写入内容时，需要先擦除对应的存储区间，这种擦除是以块(block)为单位进行的。

　　闪存主要有NOR和NAND两种技术。Flash存储器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；传统的文件系统如ext2等，用作Flash的文件系统会有诸多弊端。

　　一块Flash芯片可以被划分为多个分区，各分区可以采用不同的文件系统；两块Flash芯片也可以合并为一个分区使用，采用一个文件系统。即文件系统是针对于存储器分区而言的，而非存储芯片。

　　在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存储技术设备)为底层硬件(闪存)和上层(文件系统)之间提供一个统一的抽象接口，即Flash的文件系统都是基于MTD驱动层的(参见上面的Linux下的文件系统结构图)。使用MTD驱动程序的主要优点在于，它是专门针对各种非易失性存储器(以闪存为主)而设计的，因而它对Flash有更好的支持、管理和基于扇区的擦除、读/写操作接口。

　　(1) jffs2

　　JFFS文件系统最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的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 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) 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。

　　(3) Cramfs：Compressed ROM File System

　　Cramfs是Linux的创始人 Linus Torvalds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。

　　在cramfs文件系统中，每一页(4KB)被单独压缩，可以随机页访问，其压缩比高达2:1,为嵌入式系统节省大量的Flash存储空间，使系统可通过更低容量的FLASH存储相同的文件，从而降低系统成本。

　　Cramfs文件系统以压缩方式存储，在运行时解压缩，所以不支持应用程序以XIP方式运行，所有的应用程序要求被拷到RAM里去运行，但这并不代表比 Ramfs需求的RAM空间要大一点，因为Cramfs是采用分页压缩的方式存放档案，在读取档案时，不会一下子就耗用过多的内存空间，只针对目前实际读取的部分分配内存，尚没有读取的部分不分配内存空间，当我们读取的档案不在内存时，Cramfs文件系统自动计算压缩后的资料所存的位置，再即时解压缩到 RAM中。

　　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，但是也能放在别的文件系统里，使用loopback 设备可以把它安装别的文件系统里。

　　(4) Romfs

　　传统型的Romfs文件系统是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统，不支持动态擦写保存，按顺序存放数据，因而支持应用程序以XIP(eXecute In Place，片内运行)方式运行，在系统运行时，节省RAM空间。uClinux系统通常采用Romfs文件系统。

　　其他文件系统：fat/fat32也可用于实际嵌入式系统的扩展存储器(例如PDA, Smartphone, 数码相机等的SD卡)，这主要是为了更好的与最流行的Windows桌面操作系统相兼容。ext2也可以作为嵌入式Linux的文件系统，不过将它用于 FLASH闪存会有诸多弊端。

　　2. 基于RAM的文件系统

　　(1) Ramdisk

　　Ramdisk是将一部分固定大小的内存当作分区来使用。它并非一个实际的文件系统，而是一种将实际的文件系统装入内存的机制，并且可以作为根文件系统。将一些经常被访问而又不会更改的文件(如只读的根文件系统)通过Ramdisk放在内存中，可以明显地提高系统的性能。

　　在Linux的启动阶段，initrd提供了一套机制，可以将内核映像和根文件系统一起载入内存。

　　(2)ramfs/tmpfs

　　Ramfs是Linus Torvalds开发的一种基于内存的文件系统，工作于虚拟文件系统(VFS)层，不能格式化，可以创建多个，在创建时可以指定其最大能使用的内存大小。(实际上，VFS本质上可看成一种内存文件系统，它统一了文件在内核中的表示方式，并对磁盘文件系统进行缓冲。)

　　Ramfs/tmpfs文件系统把所有的文件都放在RAM中，所以读/写操作发生在RAM中，可以用ramfs/tmpfs来存储一些临时性或经常要修改的数据，例如/tmp和/var目录，这样既避免了对Flash存储器的读写损耗，也提高了数据读写速度。

　　Ramfs/tmpfs相对于传统的Ramdisk的不同之处主要在于：不能格式化，文件系统大小可随所含文件内容大小变化。

　　Tmpfs的一个缺点是当系统重新引导时会丢失所有数据。

　　3. 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。

　　以上讨论的都是基于存储设备的文件系统(memory-based file system)，它们都可用作Linux的根文件系统。实际上，Linux还支持逻辑的或伪文件系统(logical or pseudo file system)，例如procfs(proc文件系统)，用于获取系统信息，以及devfs(设备文件系统)和sysfs，用于维护设备文件。

　　我们要移植的开发板的存储设备为Nandflash，我们可以用应用比较广泛的cramfs文件系统。

　　二．移植准备

　　1.目标板

　　我们还是使用之前移植过程一直使用的开发板参数。

　　2.软件准备

　　（1）Busybox

　　Busybox被形象的称为嵌入式linux系统中的瑞士军刀，可以从这个称呼中看到busybox是一个集多种功能于一身的东西，它将许多常用的UNIX命令和工具结合到了一个单独的可执行程序中。虽然与相应的GNU工具比较起来,busybox所提供的功能和参数略少,但在比较小的系统（例如启动盘）或者嵌入式系统中,已经足够了。

　　Busybox在设计上就充分考虑了硬件资源受限的特殊工作环境。它采用一种很巧妙的办法减少自己的体积：所有的命令都通过“插件”的方式集中到一个可执行文件中,在实际应用过程中通过不同的符号链接来确定到底要执行哪个操作。例如最终生成的可执行文件为busybox,当为它建立一个符号链接ls的时候,就可以通过执行这个新命令实现列目录的功能。采用单一执行文件的方式最大限度地共享了程序代码,甚至连文件头、内存中的程序控制块等其他操作系统资源都共享了,对于资源比较紧张的系统来说,真是最合适不过了。

　　在busybox的编译过程中,可以非常方便地加减它的“插件”,最后的符号链接也可以由编译系统自动生成。

　　编译busybox

　　Busybox的编译过程与内核的编译过程很接近都是先make menuconfig进行配置，然后在make进行编译。

　　【1】从http://www.busybox.net/downloads/下载busybox工具。这里我们选择busybox-1.13.4.tar.bz2

　　【2】解压busybox-1.13.4.tar.bz2使用命令

　　tar jxvf busybox-1.13.4.tar.bz2

　　【3】进入busybox目录，修改Makefile  在164行 CROSS_COMPILE=arm-linux-

 

　　【4】Make menuconfig进行配置，可以选择静态编译，如果是动态编译的话要拷贝相应的库文件，默认配置保存即可。

 

　　【5】make all install

　　这是会在busybox目录下生成_install文件夹。

　　（2）文件系统打包工具

　　【1】从http://prdownloads.sourceforge.net/cramfs/下载cramfs工具。

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

　　【3】进入cramfs工具的根目录执行make。

　　【4】Make后在cramfs工具的根目录中就会生成一个mkcramfs文件，这个就是我们需要的工具。

　　三．制作过程

　　1.建立根文件系统目录

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

　　2.创建各种必要的系统文件目录。

　　mkdir dev lib tmp proc

　　3.创建设备文件。

　　cd dev

　　mknod fb0 c 29 0     建立framebuffer设备文件

　　mknod ts0 c 13 128     建立触摸屏设备文件

　　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

　　4.添加必要的库文件，由于之前没有选择静态编译busybox，这里要拷贝相应的库文件

　　cd lib

　　cp –arf …/arm-linux/lib/* .

　　5.根据自己需要添加应用程序

　　这里我们编写一个简单的应用程序打印一句问候语，程序代码如下：

　　#include <stdio.h>

　　void main()

　　{

　　printf(“Hello World\n”);

　　}

　　注意编译时要使用arm-linux-gcc，由于之前我们把编译器的库文件全部进行拷贝，可以直接动态编译。生成的可执行文件hello放入tmp文件夹。使用的命令：

　　rm-linux-gcc hello.c –o hello

　　cp –arf …/_install/tmp/

　　6.打包

　　mkcramfs _install rootfs

　　四．烧写过程

　　我们采用的烧写方法和烧写内核的方法一样内核的烧，我们采用tftp方式，用网线将目标板和pc机连接起来，配置好目标板的网络参数，主要是serverip、ipaddr。

　　首先将rootfs下载到内存中：#tftp 30008000 rootfs

　　按照之前内核的nandflash分区进行烧写，将内存中的文件系统烧写到flash中：

　　#nand erase 500000 3b00000

　　#nand write 30008000 500000 3b00000

　　重启uboot使其加载文件系统。

　　可以看到内核启动，不在出现panic，这时会提示回车，回车后进入命令行，我们可以使用一些linux的常用命令，如：ls、cd、vi等。

　　如下图所示：

 

　　注意：我们这里使用的是PUTTY串口显示软件，如果用之前的DNW查看串口信息，会出现下面的错误：

 

　　可以看到第一个目录 [1;34mbin [0m

　　会发现出现的信息除了bin目录外还有其他的内容，这并不是文件系统的问题只是DNW这款软件并不支持这些表示色彩的附加信息，换成PUTTY可以正常显示了。

　　我们可以运行一下我们自己的应用程序hello：./hello

　　可以看到打印信息Hello World如下图所示：