根文件系統是構建一個 uCLinux 嵌入式系統的重要組成部分。目前嵌入式系統可以選擇的根文件系統有:Romfs、CramFS、Ramfs、Jffs2、Ext2 等等,本系統采用 CramFS 作為 uCLinux 嵌入式系統的只讀根文件系統。本文討論了 CramFS 文件系統的特點,并詳細的說明了 Nor Flash 上建立一個 uClinux 的 Cramfs 根文件系統的一般步驟。
一、引言
隨著電子產業的不斷發展,基于 ARM 技術的系統設計和開發平臺越來越多地在控制類、消費類、通信類等電子產品中廣泛應用。從軟件角度上看,構建基于 ARM 技術的 uClinux 系統要涉及到引導加載程序、Linux 內核、文件系統、用戶應用程序幾部分的設計。
文件系統是操作系統中用來管理用戶文件的內核軟件層。文件可能存在于磁盤、網絡或者是一些虛擬的文件。文件系統包括根文件系統和建立于內存設備之上文件系統。根文件系統是 uClinux 系統的核心部分,包含系統使用的軟件和庫,以及所有用來為用戶提供支持架構和用戶使用的應用軟件,并作為存儲數據讀寫結果的區域。由于嵌入式設備中 Flash 資源很緊張,如何有效地使用有限的存儲空間是嵌入式開發者必須考慮的,合適的文件系統格式是解決這一問題的關鍵所在。本文討論了只讀壓縮 CramFS 文件系統的特點,并詳細的說明了 Nor Flash 上建立一個 uClinux 的 Cramfs 根文件系統的一般步驟。
二、開發環境簡介
本系統采用的是宿主機+目標板的開發模式,宿主機為 PC+Cygwin1.5.1 ,目標板為采用 203MHz 的 ARM920T 內核的處理器 S3C2410x+uClinux, uClinux 版本為 2.4.18。在宿主機上將 uClinux 和應用程序編譯后,下載到目標板的 Nor Flash 中,啟動運行。使用的 SDRAM 是 2 片 16MB 的 HY57v561620,工作在 16bit 雙字節模式下;使用的 Flash 是 2 片 AMD AM29LV160DB,大小為 2M 字節,工作在 16bit 雙字節模式下。在開發的時候,將 Boot Loader 燒入 AM29LV160DB 的 1-5 扇區;將 Linux 內核映象文件 zImage 燒入 6-17 扇區;將 CramFS 文件系統映象文件燒入 18-35 扇區。
三、 Cramfs 文件系統簡介
CramFS(Compressed Rom File System)是 Linux Torvalds 在 Transmeta 任職時,所參與開發的文件系統。它是針對 Linux 內核 2.4 之后的版本所設計的一種新型只讀文件系統,采用了 zlib 壓縮,壓縮比一般可以達到 1:2,但仍可以作到高效的隨機讀取,Linux 系統中,通常把不需要經常修改的目錄壓縮存放,并在系統引導的時候再將壓縮文件解開。因為 Cramfs 不會影響系統的讀取文件的速度,而且是一個高度壓縮的文件系統。因此非常廣泛應用于嵌入式系統中。
在嵌入式的環境之下,內存和外存資源都需要節約使用。如果使用 RAMDISK 方式來使用文件系統,那么在系統運行之后,首先要把 Flash 上的映像文件解壓縮到內存中,構造起 RAMDISK 環境,才可以開始運行程序。但是它也有很致命的弱點。在正常情況下,同樣的代碼不僅在 Flash 中占據了空間(以壓縮后的形式存在),而且還在內存中占用了更大的空間(以解壓縮之后的形式存在),這違背了嵌入式環境下盡量節省資源的要求。
使用 CramFS 文件系統就是一種解決這個問題的方式。CramFS 是一個壓縮格式的文件系統,它并不需要一次性地將文件系統中的所有內容都解壓縮到內存之中,而只是在系統需要訪問某個位置的數據的時候,馬上計算出該數據在 CramFS 中的位置,將它實時地解壓縮到內存之中,然后通過對內存的訪問來獲取文件系統中需要讀取的數據。CramFS 中的解壓縮以及解壓縮之后的內存中數據存放位置都是由 CramFS 文件系統本身進行維護的,用戶并不需要了解具體的實現過程,因此這種方式增強了透明度,對開發人員來說,既方便,又節省了存儲空間。
一個完整的 cramfs 文件系統通常包含以下幾個目錄:
/linuxrc 啟動腳本文件,由 Boot Loader 核心命令行確定 init=/linuxrc,加載 /etc 目錄為 ramfs,(cramfs 為只讀文件系統),拷貝 /mnt/etc 到 /etc,配置文件目錄重新加載根文件系統和 /etc 文件系統,執行 init 進程。
/bin 引導啟動所需的命令或用戶可能用的命令。
/sbin 系統管理員服務程序,其中最重要的是供內核初始化之后執行的 /sbin/init 進程,系統啟動時由 init 解釋并運行 /etc/inittab, inittab 將指導 int 去調用一個系統初始化程序 /etc/init.d/rcS。
/etc 特定機器的配置文件以及用戶數據存放目錄,其中的所有內容是在內核運行后,由 linuxrc 從 /mnt/etc 拷貝得到的。
/lib 文件系統上的程序所需的動態庫。
/dev 驅動程序存放目錄,可以在這里存放自己編寫的驅動程序。
/usr 用于存放用戶程序和配置文件的目錄,可以根據需要進行設置。目錄下的 /usr/etc/rc.local 執行本地所需要的初始化,如安裝核心模塊,進行網絡,運行應用程序,啟動圖形界面等。/etc/modules.conf 在系統運行期間自動加載模塊。
/mnt 用于設備安裝的目錄。/mnt/etc/init.d/rcS 完成各個文件系統的 Mount,執行 /usr/etc/rc.local;通過 rcS 可以調動 dhcp 程序配置網絡。rcS 執行完以后,就會打開 Shell。
/proc 系統狀態文件目錄, 目錄中的文件可以用于訪問有關內核的狀態、計算機的屬性、正在運行的進程的狀態等信息。盡管 /proc 中的文件是虛擬的,但它們仍可以使用任何文件編輯器或像‘more’, ‘less’或 ‘cat’這樣的程序來查看。
四、 Cramfs 文件系統的移植過程
文件系統是緊跟 uCLinux 內核放置,由內核加載,主要存放用戶應用程序和配置信息。CramFS 文件系統的基本組成:初始化程序、Shell 程序以及其他 Linux 常用工具、配置文件、鏈接庫、圖形界面程序和用戶應用程序等。本節將介紹移植 CramFS 文件系統的具體操作方法。
4.1、在內核中加入對 CramFS 文件系統支持
想要在系統中提供 CramFS 的能力,我們必須要在編輯 uCliunx 內核時把支持 CramFS 的選項加入。盡管 uCLinux 可以以模塊的形式加載各種類型的設備驅動上,但我們選擇直接把設備驅動及 CramFS 文件系統靜態地編譯進內核中。
在 Memory Technology Devices (MTD)選項中進行配置:
Memory Technology device (MTD) support[Y/m/n/?] Y 內存技術設備支持
MTD partitioning support [Y/m/n/?] Y 支持 MTD 分區
Direct char device access to MTD devices[Y/m/n/?] Y MTD 字符設備直接訪問
Caching block device access to MTD devices[Y/m/n/?] Y MTD 塊設備緩沖訪問
在 File systems 選項中進行配置:
Compressed ROM file system support [Y/m/n/?] Y ROM 文件系統的支持
完成上述修改并編譯后,完成 uCliunx 內核對 CramFS 文件系統的支持。
4.2、拷貝需要加入的其他文件和鏈接庫
(1)、Busybox 是 Debian GNU/Linux 的大名鼎鼎的 Bruce Perens 首先開發的。Busybox 編譯出一個單個的獨立執行程序,就叫做 busybox。但是它可以根據配置,執行 ash shell 的功能,以及幾十個各種小應用程序的功能。這其中包括有一個迷你的 vi 編輯器,系統不可或缺的 /sbin/init 程序,以及其他諸如 ifconfig, halt, reboot, mkdir, mount, ln, ls, echo, cat 等等。而所有這一切功能卻只有區區 1M 左右的大小,Busybox 已經成為構建嵌入式 Linux 文件系統的必備軟件。
首先我們從官方網站(http://www.busybox.org/)上下載 BusyBox 的版本 1.0.0。
#tar xvfz busybox-1.00.tar.gz
#cd busybox-1.00
#make menuconfig
下面是需要編譯進 busybox 的功能選項,其他的可以根據需要自選。
Build Options
Build BusyBox as a static binary (no shared libs)
這個選項是一定要選擇的,這樣才能把 busybox 編譯成靜態鏈接的可執行文件,運行時才獨立于其他函數庫,否則必需要其他庫文件才能運行,在單個 linux 內核不能使他正常工作。
Do you want to build BusyBox with a Cross Compiler
選擇你自己定義的交叉編譯環境。
installation Options
don’t use /usr
這個選項也一定要選,否則 make install 后 busybox 將安裝在原系統的 /usr 下,這將覆蓋系統原有的命令。選擇這個選項后,make install 后會在 busybox 目錄下生成一個叫 _install 的目錄,里面有 busybox 和指向他的鏈接。
其他選項都是一些 linux 基本命令選項,自己需要哪些命令就編譯進去,一般用默認的就可以了,配置好后退出并保存。編譯 BusyBox,如果能成功編譯 BusyBox,就將編譯好的 busybox 復制到 CramFS 文件系統的 /bin 目錄下,然后創建常用命令的建立快捷方式。建立快捷方式很簡單,只要建一個符號鏈接,比方 ln -s /bin/busybox /bin/ls,那么,執行 /bin/ls 的時候,busybox 就會執行 ls 的功能,也會按照 ls 的方式處理命令行參數。
(2)、拷貝一些管理員控制程序到 /sbin 目錄下,最重要的就是要包含一個 init 命令,可以使用 busybox 提供的系統工具。比如 ln -s /bin/busybox /sbin/init,這樣我們就有了系統運行不可或缺的 /sbin/init 程序了。
(3)、拷貝應用程序運行時所需要的庫到 /lib,庫文件可以從 PC 機上的交叉編譯工具安裝目錄下拷貝,如 libc-2.2.2.so、libcryt-2.2.2.so、libm-2.2.2.so、libutil-2.2.2.so 等,為部分相應庫建立快捷方式,提供一些應用程序按快捷方式名稱調用。值得注意的是 C 庫要采用 C 庫的版本 glibc, glibc 位于 /lib/libc.so.6。
4.3 、利用 mkcramfs 工具生成 cramfs 壓縮文件系統
一般情況下都要把已經規劃好的目錄結構轉換成一個映象文件,創建 Cramfs 文件系統需要 mkcramfs 工具,mkcramfs 能把相應的 Cramfs 目錄樹壓縮成為單一的映象文件,這個映象文件就是我們需要移植的文件系統。Mkcramfs 的命令格式為:
Mkcramfs [-h] [--e edition] [-I file] [-n name] DirName OutFile
#mkcramfs root cramfs.Img
用以上的命令就可以生成我們需要的 cramfs 文件系統映象文件,我們可以發現原本為 2.36Mbytes 大小的目錄內容,被壓縮成一個 1.08Mbytes 的 CramFS 文件系統映象文件, 通過 vivi 或測試程序將其寫入 Flash 中就可以驗證是否移植成功。
五、小結
CramFS 是一個壓縮格式的文件系統,如果系統存儲資源比較緊張的話,采用 CramFS 作為嵌入式 Linux 系統的根文件系統是一個不錯的選擇。
審核編輯 黃昊宇
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