嵌入式Linux根文件系统简介

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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而言它还是内核启动时所挂载（mount）的第一个文件系统，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inittab、rcS）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。
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。它包括了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这个挂载配置文件等，根文件系统中还包括了应用程序（如ls、mkdir、rm、ifconfig等命
令）和 GNU C 库（glibc、eglibc或uclibc）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）。在执行挂载时，要提供文件系统类型、文件系
统和一个挂载点。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。
Linux操作系统可以支持多种多样不同的文件系统，如windows下的FAT32、NTFS，Linux服务器使
用的ext2、ext3、ext4、btrfs、xfs、reiser4、ufs、hfs（苹果系统），Linux操作系统自身使用的伪
文件系统如swap、proc、sysfs、tmpfs等，也有一些设备的文件系统如iso9660（光盘）、nfs（网络
文件系统）等，当然还包括我们嵌入式设备上用的不同的文件系统如：initramfs（在内存中运行的文件
系统）、jffs2（一种基于Norflash的文件系统，也支持小页的nandflash）、ubifs（目前Android手机
上的Nandflash普遍使用的文件系统）、yaffs2（早期专门用来支持大页Nandflash的文件系统，具备
可移植性可在单片机裸机情况下使用）、cramfs(一种基于内存的只读的文件系统)、squashfs（在
openwrt路由器上广泛使用的俄文件系统）、romfs（一种只读、支持片上执行XIP的文件系统，在
uClinux中广泛使用）等。下面是几种常用的嵌入式根文件系统的对比：

 initramfs 该文件系统直接将根文件系统直接打包进Linux内核里(只有这种文件系统具有该功
能)，这样内核和根文件系统绑定在一块成为一个单独的文件，他在Linux系统启动后加载到内存
中运行，所以速度快，但浪费内存，系统升级的时候内核和根文件系统一起升级比较方便。但因
为他是基于内存的文件系统，所以系统掉电后针对根文件系统下所有文件的修改掉电都会丢失，
如果要升级根文件系统只有重新编译、烧录Linux内核；

jffs2 专门针对Norflash设计的文件系统，小页的Nandflash也可以使用，只是效率不高；因为
根文件系统存放在Flash上，所以根文件系统路径下的文件修改后掉电仍然存在；

yaffs2 早期专门针对大页Nandflash设计的文件系统，他的源码独立于Linux内核维护着，所以
可以在单片机等裸机环境下使用（只有该文件系统可以），linux内核想用它必须要打上补丁；
 在分区较大时，nandflash的挂载时间较长，现在逐渐被ubifs广泛替代；

ubifs 专门针对Nandflash设计的一种文件系统，他在内核的MTD一层上面又建立了UBI一层挂载速度、磨损均衡、读写速度非常快，目前nandflash上应用得最广的一种根文件系统；

Linux操作系统之所以能够支持这么多种不同的文件系统，主要是通过叫做VFS的中间层对这些文件系
统提供了完美的支持。对于用户来说，这些文件系统几乎是透明的，在大部分情况下，用户通过libc和
kernel的VFS交互，不需要关心底层文件系统的具体实现，但是有时应用程序也需要考虑底层文件系统
限制（比如fat vfat不支持链接，比如各个文件系统支持最大文件限制不同）。VFS主要有以下特性：
1. 向上，对应用层提供一个标准的文件操作接口，如open()、read()、write()、ioct()、close()等；
2. 对下，对所有文件系统提供一个统一的标准接口，以便其他操作系统的文件系统可以方便的移植
到Linux上；
3. VFS内部则通过一系列高效的管理机制，比如inode cache, dentry cache 以及文件系统的预读
等技术，使得底层文件系统不需沉溺到复杂的内核操作，即可获得高性能；
4. 此外VFS把一些复杂的操作尽量抽象到VFS内部，使得底层文件系统实现更简单。

下图是Linux内核里文件系统的分层结构图：

mtd-utils工具源码编译

Linux内核MTD对同一Flash分区提供了两种设备文件给用户层使用，一种是/dev/mtdblockX块设
备，该设备用来建立文件系统并挂载起来使用；另外一种相对应的/dev/mtdX字符设备，其里面添加了
一些ioctl，支持很多命令，如MEMGETINFO，MEMERASE等。而mtd-util就是以这些ioctl为基础而实
现的工具，实现一些关于Flash的操作，如flash_erase、flash_eraseall、flashcp、nandwrite等命令，
此外在PC上制作根文件系统所需要的一些工具也在里面，如制作JFFS2根文件系统用的mkfs.jffs2、制
作UBIFS根文件系统工具mkfs.ubifs以及开发板上操作UBI文件系统的命令。
这里我们只介绍PC端的源码编译来获取mkfs.jffs2和mkfs.ubifs工具，如果相应的工具需要放在
ARM开发板上运行则需要使用交叉编译器编译。mtd_utils需要lzo、zlib和e2fsprogs这三个库，所以在
编译mtd_utils之前先需要编译这三个库。Linux下使用源码安装工具时，如果有Makefile则直接用
make命令编译，如果没有Makefile文件，则一般有个configure的脚本，该源码结构的编译三步曲：
./configure、make、make install

2.1 创建mtd-utils的工作路径

zhanghang@ubuntu:~/fl2440$ ls
3rdparty  bootloader  crosstool  driver  images  linux  program
zhanghang@ubuntu:~/fl2440$ mkdir -p x86_tools/mtd_utils

mtd-utils编译依赖lzo、zlib和libuuu这几个库，所以我们在编译它之前先要编译这些库。另外，为了
在运行mkfs.jffs2和mkfs.ubifs这些命令时不依赖这些动态库，我们采用静态编译、然后静态链接生成
这两个命令

2.2 编译lzo库

zhanghang@ubuntu:~/fl2440$ cd x86_tools/mtd_utils/
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils$ tar -xzf lzo-2.10.tar.gz
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils$ cd lzo-2.10/
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/lzo-2.10$ ls
aclocal.m4  BUGS            configure.ac  INSTALL          Makefile.in  tests
asm         ChangeLog       COPYING       lzo2.pc.cmakein  minilzo      THANKS
AUTHORS     CMakeLists.txt  doc           lzo2.pc.in       NEWS         util
autoconf    config.hin      examples      lzotest          README
B           configure       include       Makefile.am      src
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/lzo-2.10$ ./configure -help
//编译三部曲
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/mtd-utils-1.5.2$ ./configure --prefix=`pwd`/../install --enable-static --disable-shared    //--prefix指定安装路径 --enable-static指定生产静态库 --disable- shared 指定不要生成动态库
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/lzo-2.10$ make
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/lzo-2.10$ make install

2.3 编译zlib库

zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils$ wget https://github.com/madler/zlib/archive/v1.2.10.tar.gz -O zlib-1.2.10.tar.gz
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils$ tar -xzf zlib-1.2.10.tar.gz 
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils$ cd zlib-1.2.10/
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/zlib-1.2.10$ ./configure --prefix=`pwd`/../install --static
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/zlib-1.2.10$ make 
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/zlib-1.2.10$ make install

2.4 编译e2fsprogs库(libuuid)

zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils$ wget https://github.com/tytso/e2fsprogs/archive/v1.43.7.tar.gz -O e2fsprogs-1.43.7.tar.gz
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils$ tar -xzf e2fsprogs-1.43.7.tar.gz 
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils$ cd e2fsprogs-1.43.7/
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/e2fsprogs-1.43.7$ ./configure --prefix=`pwd`/../install --enable-elf-shlibs --enable-libuuid
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/e2fsprogs-1.43.7$ make
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/e2fsprogs-1.43.7$ make install

2.5 编译mtd-utils并安装mkfs.jffs2和mkfs.ubifs

zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils$ wget ftp://ftp.infradead.org/pub/mtd- utils/mtd-utils-1.5.2.tar.bz2
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils$ tar -xjf mtd-utils-1.5.2.tar.bz2
//导入环境变量
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils$ cd mtd-utils-1.5.2/
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/mtd-utils-1.5.2$ export CFLAGS+="I../install/include/"
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/mtd-utils-1.5.2$ export LDFLAGS+="-L../install/lib/ -static"
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/mtd-utils-1.5.2$ make WITHOUT_XATTR=1

zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/mtd-utils-1.5.2$ sudo cp mkfs.jffs2 /bin/
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/mtd-utils-1.5.2$ sudo cp mkfs.ubifs/mkfs.ubifs /bin/
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/mtd-utils-1.5.2$ sudo cp ubi-utils/ubinize /bin/

内核调整Nandflash分区表

FL2440上使用K9F2G08这个256MB的Nandflash，就像PC上的硬盘一样，我们也需要对整个
Nandflash进行分区。只不过这个分区的过程是通过在Linux的源码修改来调整，接下来我们按照下面
这个分区表来调整Linux系统的分区表。

zhanghang@ubuntu:~/fl2440/x86_tools/mtd_utils/mtd-utils-1.5.2$ cd ../../../linux/linux-3.0/
zhanghang@ubuntu:~/fl2440/linux/linux-3.0$ vim arch/arm/plat-s3c24xx/common-smdk.c
static struct mtd_partition smdk_default_nand_part[] = {
    [0] = {
        .name = "mtdblock0 u-boot 1MB",
        .offset = 0,
        .size = SZ_1M*1, // 0x0000000 ~ 0x0100000 
    },
    [1] = {
        .name = "mtdblock1 kernel 15MB",
        .offset = MTDPART_OFS_NXTBLK,
        .size = SZ_1M*15, // 0x0100000 ~ 0X1000000 
    },
    [2] = {
        .name = "mtdblock2 rootfs 40MB",
        .offset = MTDPART_OFS_NXTBLK,
        .size = SZ_1M*40,
    },
    [3] = {
        .name = "mtdblock3 apps 80MB",
        .offset = MTDPART_OFS_NXTBLK,
        .size = SZ_1M*80,
    },
    [4] = {
        .name = "mtdblock4 data 80MB",
        .offset = MTDPART_OFS_NXTBLK,
        .size = SZ_1M*80,
    },
    [5] = {
        .name = "mtdblock5 backup 40MB",
        .offset = MTDPART_OFS_NXTBLK,
        .size = SZ_1M*40,
    }
};

编译linux内核重新烧录到开发板并启动，可以看到分区变化：

...
Creating 6 MTD partitions on "NAND":
0x000000000000-0x000000100000 : "mtdblock0 u-boot 1MB"
0x000000100000-0x000001000000 : "mtdblock1 kernel 15MB"
0x000001000000-0x000003800000 : "mtdblock2 rootfs 40MB"
0x000003800000-0x000008800000 : "mtdblock3 apps 80MB"
0x000008800000-0x00000d800000 : "mtdblock4 data 80MB"
0x00000d800000-0x000010000000 : "mtdblock5 backup 40MB"
...

~ >: cat /proc/mtd//登录开发板Linux后，我们也可以使用 cat /proc/mtd 命令查看分区信息
dev:    size   erasesize  name
mtd0: 00100000 00020000 "mtdblock0 u-boot 1MB"
mtd1: 00f00000 00020000 "mtdblock1 kernel 15MB"
mtd2: 02800000 00020000 "mtdblock2 rootfs 40MB"
mtd3: 05000000 00020000 "mtdblock3 apps 80MB"
mtd4: 05000000 00020000 "mtdblock4 data 80MB"
mtd5: 02800000 00020000 "mtdblock5 backup 40MB"
~ >: ls -l /dev/mtd*//开发板Linux系统的路径下会产生相应的分区文件，其中mtdX(X为0,1,2,3....)为可读写字符设备, mtdXro为只读的字符设备, mtdblockX为mount命令挂载使用的块设备。
crw-rw----    1 root     root       90,   0 Jan  1 00:00 /dev/mtd0
crw-rw----    1 root     root       90,   1 Jan  1 00:00 /dev/mtd0ro
crw-rw----    1 root     root       90,   2 Jan  1 00:00 /dev/mtd1
crw-rw----    1 root     root       90,   3 Jan  1 00:00 /dev/mtd1ro
crw-rw----    1 root     root       90,   4 Jan  1 00:00 /dev/mtd2
crw-rw----    1 root     root       90,   5 Jan  1 00:00 /dev/mtd2ro
crw-rw----    1 root     root       90,   6 Jan  1 00:00 /dev/mtd3
crw-rw----    1 root     root       90,   7 Jan  1 00:00 /dev/mtd3ro
crw-rw----    1 root     root       90,   8 Jan  1 00:00 /dev/mtd4
crw-rw----    1 root     root       90,   9 Jan  1 00:00 /dev/mtd4ro
crw-rw----    1 root     root       90,  10 Jan  1 00:00 /dev/mtd5
crw-rw----    1 root     root       90,  11 Jan  1 00:00 /dev/mtd5ro
brw-rw----    1 root     root       31,   0 Jan  1 00:00 /dev/mtdblock0
brw-rw----    1 root     root       31,   1 Jan  1 00:00 /dev/mtdblock1
brw-rw----    1 root     root       31,   2 Jan  1 00:00 /dev/mtdblock2
brw-rw----    1 root     root       31,   3 Jan  1 00:00 /dev/mtdblock3
brw-rw----    1 root     root       31,   4 Jan  1 00:00 /dev/mtdblock4
brw-rw----    1 root     root       31,   5 Jan  1 00:00 /dev/mtdblock5

以上工作为制作jffs2和ubifs文件系统准备，下面会讲到两种文件系统的制作。