busybox详解制作根文件系统

详解制作根文件系统
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一、FHS（Filesystem Hierarchy Standard）标准介绍
当我们在linux下输入ls / 的时候，见到的目录结构以及这些目录下的内容都大同小异，这是因为所有的linux发行版在对根文件系统布局上都遵循FHS标准的建议规定。

该标准规定了根目录下各个子目录的名称及其存放的内容：
制作根文件系统就是要建立以上的目录，并在其中建立完整目录内容。

其过程大体包括：
•编译／安装busybox，生成/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/sbin目录
•利用交叉编译工具链，构建/lib目录
•手工构建/etc目录
•手工构建最简化的/dev目录
•创建其它空目录
•配置系统自动生成/proc目录
•利用udev构建完整的/dev目录
•制作根文件系统的jffs2映像文件
下面就来详细介绍这个过程。

二、编译／安装busybox，生成/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/sbin目录
这些目录下存储的主要是常用命令的二进制文件。

如果要自己编写这几百个常用命令的源程序，my god，这简直是一个噩梦！好在我们有嵌入式Linux系统的瑞士军刀——busybox，事情就简单很多。

1、从/下载busybox-1.7.0.tar.bz2
2、tar xjvf busybox-1.7.0.tar.bz2解包
3、修改Makefile文件
175 ARCH ?= arm
176 CROSS_COMPILE ?= arm-linux-
4、make menuconfig配置busybox
busybox配置主要分两部分。

第一部分是Busybox Settings，主要编译和安装busybox的一些选项。

这里主要需要配置：
1）、Build Options -- Build BusyBox as a static binary (no shared libs)，表示编译busybox时，是否静态链接C库。

我们选择动态链接C库。

2）、Installation Options -- Applets links (as soft-links) -- (X) as soft-links，表示安装busybox 时，将各个命令安装为指向busybox的软链接还是硬链接。

我们选择软链接。

3）、Installation Options -- (/work/nfs_root/fs_mini3) BusyBox installation prefix，表示busybox的安装位置。

我们选择/work/nfs_root/fs_mini3
4）Busybox Library Tuning。

保留Command line editing以支持命令行编辑；保留History size以支持记忆历史命令；选中Tab completion和Username completion以支持命令自动补全
第二部分是Applets，他将busybox的支持的几百个命令分门别类。

我们只要在各个门类下选择想要的命令即可。

这里我们基本保持默认设置。

1）选中Networking Utilities -- httpd下的Enable -u <user> option，以启用http服务器的功能allows the server to run as a specific user
5、编译busybox
make
6、安装busybox
make install
安装完成后，可以看到在/work/nfs_root/fs_mini3目录下生成了binsbinusr/binusr/sbin目录，其下包含了我们常用的命令，这些命令都是指向bin/busybox的软链接，而busybox本身的大小不到800K：
dennis@dennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ ls
bin linuxrc sbin usr
dennis@dennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ ls -l bin
total 740
lrwxrwxrwx 1 dennis dennis 7 2010-04-03 23:57 addgroup -> busybox
lrwxrwxrwx 1 dennis dennis 7 2010-04-03 23:57 adduser -> busybox
lrwxrwxrwx 1 dennis dennis 7 2010-04-03 23:57 ash -> busybox
-rwxr-xr-x 1 dennis dennis 749632 2010-04-03 23:57 busybox
lrwxrwxrwx 1 dennis dennis 7 2010-04-03 23:57 cat –> busybox
而普通PC机上的ls命令就有差不多80K的大小：
dennis@dennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ ls -l /bin/ls
-rwxr-xr-x 1 root root 78004 2007-09-29 20:51 /bin/ls
busybox以它娇小的身躯容纳了数以百计的命令代码，实在是让人佩服不已，其不愧嵌入式系统瑞士军刀之美誉。

据说，busybox的作者身患绝症，这更让人钦佩GNU开源软件的作者们。

三、利用交叉编译工具链，构建/lib目录
光有应用程序（命令）是不够的，因为应用程序本身需要使用C库的库函数，因此还必需制作for ARM的C库，并将其放置于/lib目录。

my god，要自己写C库的源代码吗？不用！还记得交叉编译工具链的3个组成部分吗？交叉编译器、for ARM的C库和二进制工具。

哈哈，for ARM的C库是现成的，我们只需要拷贝过来就可以了。

遗憾的是：整个C库目录下的文件总大小有26M。

而我们根文件系统所在分区不过区区16M而已，根本放不下。

怎么办呢？
dennis@dennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ du -s --si
/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib
26M /work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib
需要C库目录下所有的文件吗？no，absolutely no! 让我们来分析一下glibc库目录下内容的组成。

该目录下的子目录和文件共分8类：
•目标文件，如crtn.o，用于gcc链接可执行文件
•libtool库文件（.la），在链接库文件时这些文件会被用到，比如他们列出了当前库文件所依赖的其它库文件，程序运行时无需这些文件
•gconv目录，里面是各种链接脚本，在编译应用程序时，他们用于指定程序的运行地址，各段的位置等
•静态库文件（.a），例如libm.a，libc.a
•动态库文件（.so、.so.[0-9]*）
•动态链接库加载器ld-2.3.6.so、ld-linux.so.2
•其它目录及文件
很显然，第1、2、3、4、7类文件和目录是不需要拷贝的。

由于动态链接的应用程序本身并不含有它所调用的C库函数的代码，因此执行时需要动态链接库加载器来为它加载相应的C库文件，所以第6类文件是需要拷贝的。

除此之外，第5类文件当然要拷贝。

但第5类文件的大小也相当大。

dennis@dennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ du -c --si *.so* 7.2M total
需要全部拷贝吗？非也，非也！其实，需要哪些库完全取决于要运行的应用程序使用了哪些库函数。

如果我们只制作最简单的系统，那么我们只需要运行busybox这一个应用程序即可。

通过执行
dennis@dennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ arm-linux-readelf -a bin/busybox | grep 'Shared'
0x00000001 (NEEDED) Shared library: [libcrypt.so.1]
0x00000001 (NEEDED) Shared library: [libm.so.6]
0x00000001 (NEEDED) Shared library: [libc.so.6]
可知：busybox只用到了3个库：通用C库（libc）、数学库（libm）、加密库（libcrypt），因此我们只需要拷贝这3个库的库文件即可。

但是每个库都有4个文件，4个文件都要拷贝吗？当然不是。

dennis@dennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ ls -l libcrypt[.-]* -rwxr-xr-x 1 dennis dennis 30700 2008-01-22 05:32 libcrypt-2.3.6.so
-rw-r--r-- 1 dennis dennis 23118 2008-01-22 05:32 libcrypt.a
lrwxrwxrwx 1 dennis dennis 13 2008-12-22 15:38 libcrypt.so -> libcrypt.so.1 lrwxrwxrwx 1 dennis dennis 17 2008-12-22 15:38 libcrypt.so.1 -> libcrypt-2.3.6.so dennis@dennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ ls -l libm[.-]*
-rwxr-xr-x 1 dennis dennis 779096 2008-01-22 05:31 libm-2.3.6.so
-rw-r--r-- 1 dennis dennis 1134282 2008-01-22 05:32 libm.a
lrwxrwxrwx 1 dennis dennis 9 2008-12-22 15:38 libm.so -> libm.so.6
lrwxrwxrwx 1 dennis dennis 13 2008-12-22 15:38 libm.so.6 -> libm-2.3.6.so
dennis@dennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ ls -l libc[.-]*
-rwxr-xr-x 1 dennis dennis 1435660 2008-01-22 05:48 libc-2.3.6.so
-rw-r--r-- 1 dennis dennis 2768280 2008-01-22 05:31 libc.a
-rw-r--r-- 1 dennis dennis 195 2008-01-22 05:34 libc.so
lrwxrwxrwx 1 dennis dennis 13 2008-12-22 15:38 libc.so.6 -> libc-2.3.6.so
4个文件中的.a文件是静态库文件，是不需要拷贝的。

另外3个文件是：
•实际的共享链接库：libLIBRARY_NAME-GLIBC_VERSION.so。

当然需要拷贝。

•主修订版本的符号链接，指向实际的共享链接库：
libLIBRARY_NAME.so.MAJOR_REVISION_VERSION，程序一旦链接了特定的链接库，将会参用该符号链接。

程序启动时，加载器在加载程序前，会检索该文件。

所以需要拷贝。

•与版本无关的符号链接，指向主修订版本的符号连接（libc.so是唯一的例外，他是一个链接命令行：libLIBRARY_NAME.so，是为编译程序时提供一个通用条目）。

这些文件在程序被编译时会被用到，但在程序运行时不会被用到，所以不必拷贝它。

关于共享库的2个符号链接的作用的特别说明：
当我们使用gcc hello.c -o hello -lm编译程序时，gcc会根据-lm的指示，加头（lib）添尾（.so）得到libm.so，从而沿着与版本无关的符号链接（libm.so -> libm.so.6）找到libm.so.6并记录在案（hello的ELF头中），表示hello需要使用libm.so.6这个库文件所代表的数学库中的库函数。

而当hello被执行的时候，动态链接库加载器会从hello的ELF头中找到libm.so.6这个记录，然后沿着主修订版本的符号链接（libm.so.6 -> libm-2.3.6.so）找到实际的共享链接库libm-2.3.6.so，从而将其与hello作动态链接。

可见，与版本无关的符号链接是供编译器使用的，主修订版本的符号链接是供动态链接库加载器使用的，而实际的共享链接库则是供应用程序使用的。

通过以上分析，我们只需要拷贝3个库（每个库各1个主修订版本的符号链接和1个实际的共享链接库）以及动态链接库加载器（1个符号链接和1个实体文件）。

步骤如下：
dennis@dennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ mkdir
/work/nfs_root/fs_mini3/lib
dennis@dennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp libcrypt-*
/work/nfs_root/fs_mini3/lib
dennis@dennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp -l libcrypt.so.* /work/nfs_root/fs_mini3/lib
dennis@dennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp libm-*
/work/nfs_root/fs_mini3/lib
dennis@dennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp -l libm.so.*
/work/nfs_root/fs_mini3/lib
dennis@dennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp libc-*
/work/nfs_root/fs_mini3/lib
dennis@dennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp -l libc.so.*
/work/nfs_root/fs_mini3/lib
dennis@dennis-desktop:/work/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib$ cp -l ld-*
/work/nfs_root/fs_mini3/lib
四、手工构建/etc目录
/etc目录存放的是系统程序的主配置文件，因此需要哪些配置文件取决于要运行哪些系统程序。

即使最小的系统也一定会运行1号用户进程init，所以我们至少要手工编写init的主配置文件inittab。

busybox 的inittab文件的语法、语义与传统的SYSV的inittab有所不同。

inittab文件中每个条目用来定义一个需要init启动的子进程，并确定它的启动方式，格式为
<id>:<runlevel>:<action>:<process>。

例如：ttySAC0::askfirst:-/bin/sh
•<id>表示子进程要使用的控制台，若省略则使用与init进程一样的控制台
•<runlevel>表示运行级别，busybox init程序这个字段没有意义
•<action>表示init进程如何控制这个子进程
•sysinit：系统启动后最先执行，只执行一次，init进程等待它结束后才继续执行其它动作
•wait：系统执行完sysinit条目后执行，只执行一次，init进程等待它结束后才继续执行其它动作
•once：系统执行完wait条目后执行，只执行一次，init进程不等待它结束
•respawn：启动完once进程后，init进程监测发现子进程退出时，重新启动它
•askfirst：启动完respawn进程后，与respawn类似，不过init进程先输出” Please press Enter to activate this console“，等用户输入回车后才启动子进程
•shutdown：当系统关机时
•restart：Busybox中配置了CONFIG_FEATURE_USE_INITAB，并且init进程接收到SIGUP信号时执行，先重新读取、解析/etc/inittab文件，再执行restart程序•ctrlaltdel：按下ctrl+alt+del键时执行，不过在串口控制台中无法输入它
•<process>表示进程对应的二进制文件。

如果前面有-号，表示该程序是“可以与用户进行交互的”我们制作最简单的/etc/inittab文件，其内容如下：
::sysinit:/etc/init.d/rcS
::askfirst:-/bin/sh
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdown:/bin/umount -a –r
制作最简单的脚本程序文件/etc/init.d/rcS，其内容如下：
#!/bin/sh
ifconfig eth0 192.168.2.17
修改shell脚本文件/etc/init.d/rcS的权限，以使其可被执行：
# chmod a+x /etc/init.d/rcS
五、手工构建最简化的/dev目录
在linux机器上，执行ls /dev可看到几百个设备文件，我需要手工创建它们吗？maybe，我只需要手工创建几个设备文件！我怎么知道我应该创建哪几个设备文件呢？管它呢，先看看开发板上可爱的linux 的反应再说。

启动Linux操作系统，显示：
VFS: Mounted root (nfs filesystem).
Freeing init memory: 112K
Warning: unable to open an initial console.
这说明，内核已经成功挂载根文件系统，但却未能成功启动第1个用户进程init。

通过错误消息“unable to open an initial console”搜索内核源代码，找到init/main.c文件。

748 static int noinline init_post(void)
749 {
750 free_initmem();
751 unlock_kernel();
752 mark_rodata_ro();
753 system_state = SYSTEM_RUNNING;
754 numa_default_policy();
755
756 if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)
757 printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\n"); 758
759 (void) sys_dup(0);
760 (void) sys_dup(0);
761
762 if (ramdisk_execute_command) {
763 run_init_process(ramdisk_execute_command);
764 printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s\n",
765 ramdisk_execute_command);
766 }
767
768 /*
769 * We try each of these until one succeeds.
770 *
771 * The Bourne shell can be used instead of init if we are
772 * trying to recover a really broken machine.
773 */
774 if (execute_command) {
775 run_init_process(execute_command);
776 printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s. Attempting "
777 "defaults...\n", execute_command);
778 }
779 run_init_process("/sbin/init");
780 run_init_process("/etc/init");
781 run_init_process("/bin/init");
782 run_init_process("/bin/sh");
783
784 panic("No init found. Try passing init= option to kernel.");
785 }
显然，内核错误是由175行不能打开/dev/console所致。

通过查看已经安装好的linux机器的/dev/console设备文件，可知其是字符设备文件，主设备号为5，次设备号为1：
dennis@dennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3/etc$ ls -l /dev/console
crw------- 1 root root 5, 1 2010-04-08 08:40 /dev/console
因此，我们使用下面的命令创建它：
dennis@dennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3/dev$ sudo mknod console c 5 1
还需要创建其它设备文件吗？只有天知道！再看看linux的反应。

VFS: Mounted root (nfs filesystem).
Freeing init memory: 112K
init: can't open '/dev/null': No such file or directory
这次我们有经验了，如法炮制，创建/dev/null设备文件：
dennis@dennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3/dev$ sudo mknod null c 1 3
再次重启开发板上的linux，显示
VFS: Mounted root (nfs filesystem).
Freeing init memory: 112K
init started: BusyBox v1.7.0 (2010-04-03 23:53:55 CST)
starting pid 229, tty '': '/etc/init.d/rcS'
Please press Enter to activate this console.
starting pid 231, tty '': '/bin/sh'
#
哈哈，我们成功了，终于可以K歌去了。

六、创建其它空目录
K完歌回来，继续战斗。

dennis@dennis-desktop:/work/nfs_root/fs_mini3$ mkdir home root proc sys tmp mnt var
再次重启动开发板上的linux。

咦，似乎有些问题。

VFS: Mounted root (nfs filesystem).
Freeing init memory: 112K
init started: BusyBox v1.7.0 (2010-04-03 23:53:55 CST)
starting pid 229, tty '': '/etc/init.d/rcS'
Please press Enter to activate this console.
starting pid 231, tty '': '/bin/sh'
# ps
PID Uid VSZ Stat Command
#
ps竟然看不到任何进程的存在！让我想想。

对了，ps的机制是通过查看/proc中的内容来获得进程信息的。

那么，目前/proc里有哪些内容呢？
# ls /proc
#
竟然空空如野！这可如何是好？
七、配置系统自动生成/proc目录
其实/proc是用来提供内核与进程信息的虚拟文件系统，由内核自动生成目录下的内容。

不过需要我们设置一下，将/etc/init.d/rcS修改为：
#!/bin/sh
ifconfig eth0 192.168.2.17
mount -t proc none /proc
对于mount -t proc none /proc 的解释：通常情况下mount命令应该写为mount –t ext2 /dev/hdb1 /proc。

但由于现在挂载的/proc是虚拟文件系统，它不与任何物理硬盘分区相对应，因此在表示物理硬盘分区的位置用占位符none来表示。

重启开发板上的linux，显示成功了：
Please press Enter to activate this console.
starting pid 232, tty '': '/bin/sh'
# ps
PID Uid VSZ Stat Command
1 0 3088 S init
2 0 SW< [kthreadd]
3 0 SWN [ksoftirqd/0]
4 0 SW< [events/0]
5 0 SW< [khelper]
41 0 SW< [kblockd/0]
42 0 SW< [ksuspend_usbd]
45 0 SW< [khubd]
47 0 SW< [kseriod]
59 0 SW [pdflush]
60 0 SW [pdflush]
61 0 SW< [kswapd0]
62 0 SW< [aio/0]
177 0 SW< [mtdblockd]
226 0 SW< [rpciod/0]
232 0 3092 S -sh
233 0 3092 R ps
#
八、利用udev构建完整的/dev目录
高兴地插入U盘，内核显示识别到了U盘：
# usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 2
usb 1-1: not running at top speed; connect to a high speed hub
usb 1-1: configuration #1 chosen from 1 choice
scsi0 : SCSI emulation for USB Mass Storage devices
scsi 0:0:0:0: Direct-Access Teclast CoolFlash 0.00 PQ: 0 ANSI: 2
sd 0:0:0:0: [sda] 12560384 512-byte hardware sectors (6431 MB)
sd 0:0:0:0: [sda] Write Protect is off
sd 0:0:0:0: [sda] Assuming drive cache: write through
sd 0:0:0:0: [sda] 12560384 512-byte hardware sectors (6431 MB)
sd 0:0:0:0: [sda] Write Protect is off
sd 0:0:0:0: [sda] Assuming drive cache: write through
sda: sda1
sd 0:0:0:0: [sda] Attached SCSI removable disk
但当要使用的时候，却找不到设备文件：
# mount /dev/sda1 /mnt
mount: mounting /dev/sda1 on /mnt failed: No such file or directory
# ls /dev/sda1
ls: /dev/sda1: No such file or directory
/dev目录下只有可怜巴巴的2个设备文件。

# ls /dev
console null
在linux机器上，执行ls /dev可看到几百个设备文件，难道要我揉着酸疼的眼睛查看这几百个设备文件的主、次设备号，然后再手工使用mknod命令来生成这几百个设备文件吗？那你不如杀了我算了！其实构建/dev目录有3种方法：
•创建静态设备文件：需要使用mknod命令事先创建很多设备文件，麻烦大了
•使用devfs：使用上存在一些问题，在2.6.13后已被废弃
•使用udev(user dev)，我们采用该方法
udev的原理是：操作系统启动的时候将识别到的所有设备的信息自动导出到/sys目录，然后用户态的应用程序udev根据/sys中的设备信息，自动在/dev目录下创建所有正确的设备文件。

因此我们要做的就是：配置自动生成/sys目录下的内容并调用mdev（mdev是busybox中对udev的简化实现）。

# ls /sys
# mount -t sysfs none /sys
# ls /sys
block class firmware kernel power
bus devices fs module
# ls /dev
console null
# mdev -s
# ls -l dev | wc -l
140
# ls /dev/sda*
/dev/sda /dev/sda1
可是，当我们将U盘拔出后，发现/dev/sda1并不自动消失；手工删除/dev/sda1后，再重新插入U盘，/dev/sda1也不会自动生成。

我们需进行如下操作，以使系统能够实现即插即用：
# echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
将上述工作放到rcS中：
#!/bin/sh
ifconfig eth0 192.168.2.17
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
mdev -s
九、使用tmpfs挂载/dev、/tmp、/var目录
似乎我们的根文件系统已经相当完善了。

但仔细想一想Nand flash的擦写寿命是有限的这个事实，我们就应该明白，我们应该将/dev、/tmp、/var三个目录挂载为tmpfs文件系统。

修改rcS如下：
#!/bin/sh
ifconfig eth0 192.168.2.17
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t tmpfs none /dev
mount -t tmpfs none /var
mount -t tmpfs none /tmp
echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
mdev -s
十、制作根文件系统的jffs2映像文件
根文件系统已经制作完毕，最后一个步骤是将其打包为jffs2映像文件，以供bootloader将其烧录到nand flash上。

这只需要执行命令：
dennis@dennis-desktop:/work/nfs_root$ mkfs.jffs2 -n -s 512 -e 16KiB -d fs_mini3 -o
fs_mini3.jffs2
这其中：
•-n表示不要在每个擦除块上都加上清除标记
•-s 512指明一页大小为512字节
•-e 16KiB指明一个擦除块大小为16KB
•-d fs_mini3指明要打包的目录
•-o fs_mini3.jffs2指明最终的映像文件名
但由于jffs2映像文件制作工具程序mkfs.jffs2 尚未安装，另外该程序需要用到zlib库，因此我们必须先安装它们：
安装zlib(编译MTD设备工具包需要它)
•tar xzvf zlib-1.2.3.tar.gz
•cd zlib-1.2.3
•./configure –shared –prefix=/usr
•make
•sudo make install
安装MTD工具包（其中含有jffs2映像文件制作工具）
•tar xjvf mtd-utils-05.07.23.tar.bz2
•cd mtd-utils-05.07.23/util
•make
•sudo make install。