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busybox
嵌入式根文件系统的移植和制作详解
2010年1月4日10:
50 维库开发网
一.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、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(VirtualFileSystem),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(MemoryTechnologyDevice,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AxisCommunications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(JournallingFlashFileSystemv2)
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:
YetAnotherFlashFileSystem
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(512Bytes)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:
CompressedROMFileSystem
Cramfs是Linux的创始人LinusTorvalds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(eXecuteInPlace,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LinusTorvalds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(NetworkFileSystem)
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-basedfilesystem),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(logicalorpseudofilesystem),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makemenuconfig进行配置,然后在make进行编译。
【1】从
【2】解压busybox-1.13.4.tar.bz2使用命令
tarjxvfbusybox-1.13.4.tar.bz2
【3】进入busybox目录,修改Makefile 在164行CROSS_COMPILE=arm-linux-
【4】Makemenuconfig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】makeallinstall
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
【2】解压cramfs-1.1.tar.gz使用命令:
tarzxvfcramfs-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。
mkdirdevlibtmpproc
3.创建设备文件。
cddev
mknodfb0c290 建立framebuffer设备文件
mknodts0c13128 建立触摸屏设备文件
mknodconsolec51
mknodtty0c40
mknodtty1c41
mknodtty2c42
mknodtty3c43
mknodtty4c44
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
cdlib
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
voidmain()
{
printf(“HelloWorld\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-gcchello.c–ohello
cp–arf…/_install/tmp/
6.打包
mkcramfs_installrootfs
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:
#tftp30008000rootfs
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:
#nanderase5000003b00000
#nandwrite300080005000003b00000
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HelloWorld如下图所示:
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
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