根文件系统是构建一个 uCLinux 嵌入式系统的重要组成部分。目前嵌入式系统可以选择的根文件系统有:Romfs、CramFS、Ramfs、Jffs2、Ext2 等等,本系统采用 CramFS 作为 uCLinux 嵌入式系统的只读根文件系统。本文讨论了 CramFS 文件系统的特点,并详细的说明了 Nor Flash 上建立一个 uClinux 的 Cramfs 根文件系统的一般步骤。
一、引言
随着电子产业的不断发展,基于 ARM 技术的系统设计和开发平台越来越多地在控制类、消费类、通信类等电子产品中广泛应用。从软件角度上看,构建基于 ARM 技术的 uClinux 系统要涉及到引导加载程序、Linux 内核、文件系统、用户应用程序几部分的设计。
文件系统是操作系统中用来管理用户文件的内核软件层。文件可能存在于磁盘、网络或者是一些虚拟的文件。文件系统包括根文件系统和建立于内存设备之上文件系统。根文件系统是 uClinux 系统的核心部分,包含系统使用的软件和库,以及所有用来为用户提供支持架构和用户使用的应用软件,并作为存储数据读写结果的区域。由于嵌入式设备中 Flash 资源很紧张,如何有效地使用有限的存储空间是嵌入式开发者必须考虑的,合适的文件系统格式是解决这一问题的关键所在。本文讨论了只读压缩 CramFS 文件系统的特点,并详细的说明了 Nor Flash 上建立一个 uClinux 的 Cramfs 根文件系统的一般步骤。
二、开发环境简介
本系统采用的是宿主机+目标板的开发模式,宿主机为 PC+Cygwin1.5.1 ,目标板为采用 203MHz 的 ARM920T 内核的处理器 S3C2410x+uClinux, uClinux 版本为 2.4.18。在宿主机上将 uClinux 和应用程序编译后,下载到目标板的 Nor Flash 中,启动运行。使用的 SDRAM 是 2 片 16MB 的 HY57v561620,工作在 16bit 双字节模式下;使用的 Flash 是 2 片 AMD AM29LV160DB,大小为 2M 字节,工作在 16bit 双字节模式下。在开发的时候,将 Boot Loader 烧入 AM29LV160DB 的 1-5 扇区;将 Linux 内核映象文件 zImage 烧入 6-17 扇区;将 CramFS 文件系统映象文件烧入 18-35 扇区。
三、 Cramfs 文件系统简介
CramFS(Compressed Rom File System)是 Linux Torvalds 在 Transmeta 任职时,所参与开发的文件系统。它是针对 Linux 内核 2.4 之后的版本所设计的一种新型只读文件系统,采用了 zlib 压缩,压缩比一般可以达到 1:2,但仍可以作到高效的随机读取,Linux 系统中,通常把不需要经常修改的目录压缩存放,并在系统引导的时候再将压缩文件解开。因为 Cramfs 不会影响系统的读取文件的速度,而且是一个高度压缩的文件系统。因此非常广泛应用于嵌入式系统中。
在嵌入式的环境之下,内存和外存资源都需要节约使用。如果使用 RAMDISK 方式来使用文件系统,那么在系统运行之后,首先要把 Flash 上的映像文件解压缩到内存中,构造起 RAMDISK 环境,才可以开始运行程序。但是它也有很致命的弱点。在正常情况下,同样的代码不仅在 Flash 中占据了空间(以压缩后的形式存在),而且还在内存中占用了更大的空间(以解压缩之后的形式存在),这违背了嵌入式环境下尽量节省资源的要求。
使用 CramFS 文件系统就是一种解决这个问题的方式。CramFS 是一个压缩格式的文件系统,它并不需要一次性地将文件系统中的所有内容都解压缩到内存之中,而只是在系统需要访问某个位置的数据的时候,马上计算出该数据在 CramFS 中的位置,将它实时地解压缩到内存之中,然后通过对内存的访问来获取文件系统中需要读取的数据。CramFS 中的解压缩以及解压缩之后的内存中数据存放位置都是由 CramFS 文件系统本身进行维护的,用户并不需要了解具体的实现过程,因此这种方式增强了透明度,对开发人员来说,既方便,又节省了存储空间。
一个完整的 cramfs 文件系统通常包含以下几个目录:
/linuxrc 启动脚本文件,由 Boot Loader 核心命令行确定 init=/linuxrc,加载 /etc 目录为 ramfs,(cramfs 为只读文件系统),拷贝 /mnt/etc 到 /etc,配置文件目录重新加载根文件系统和 /etc 文件系统,执行 init 进程。
/bin 引导启动所需的命令或用户可能用的命令。
/sbin 系统管理员服务程序,其中最重要的是供内核初始化之后执行的 /sbin/init 进程,系统启动时由 init 解释并运行 /etc/inittab, inittab 将指导 int 去调用一个系统初始化程序 /etc/init.d/rcS。
/etc 特定机器的配置文件以及用户数据存放目录,其中的所有内容是在内核运行后,由 linuxrc 从 /mnt/etc 拷贝得到的。
/lib 文件系统上的程序所需的动态库。
/dev 驱动程序存放目录,可以在这里存放自己编写的驱动程序。
/usr 用于存放用户程序和配置文件的目录,可以根据需要进行设置。目录下的 /usr/etc/rc.local 执行本地所需要的初始化,如安装核心模块,进行网络,运行应用程序,启动图形界面等。/etc/modules.conf 在系统运行期间自动加载模块。
/mnt 用于设备安装的目录。/mnt/etc/init.d/rcS 完成各个文件系统的 Mount,执行 /usr/etc/rc.local;通过 rcS 可以调动 dhcp 程序配置网络。rcS 执行完以后,就会打开 Shell。
/proc 系统状态文件目录, 目录中的文件可以用于访问有关内核的状态、计算机的属性、正在运行的进程的状态等信息。尽管 /proc 中的文件是虚拟的,但它们仍可以使用任何文件编辑器或像‘more’, ‘less’或 ‘cat’这样的程序来查看。
四、 Cramfs 文件系统的移植过程
文件系统是紧跟 uCLinux 内核放置,由内核加载,主要存放用户应用程序和配置信息。CramFS 文件系统的基本组成:初始化程序、Shell 程序以及其他 Linux 常用工具、配置文件、链接库、图形界面程序和用户应用程序等。本节将介绍移植 CramFS 文件系统的具体操作方法。
4.1、在内核中加入对 CramFS 文件系统支持
想要在系统中提供 CramFS 的能力,我们必须要在编辑 uCliunx 内核时把支持 CramFS 的选项加入。尽管 uCLinux 可以以模块的形式加载各种类型的设备驱动上,但我们选择直接把设备驱动及 CramFS 文件系统静态地编译进内核中。
在 Memory Technology Devices (MTD)选项中进行配置:
Memory Technology device (MTD) support[Y/m/n/?] Y 内存技术设备支持
MTD partitioning support [Y/m/n/?] Y 支持 MTD 分区
Direct char device access to MTD devices[Y/m/n/?] Y MTD 字符设备直接访问
Caching block device access to MTD devices[Y/m/n/?] Y MTD 块设备缓冲访问
在 File systems 选项中进行配置:
Compressed ROM file system support [Y/m/n/?] Y ROM 文件系统的支持
完成上述修改并编译后,完成 uCliunx 内核对 CramFS 文件系统的支持。
4.2、拷贝需要加入的其他文件和链接库
(1)、Busybox 是 Debian GNU/Linux 的大名鼎鼎的 Bruce Perens 首先开发的。Busybox 编译出一个单个的独立执行程序,就叫做 busybox。但是它可以根据配置,执行 ash shell 的功能,以及几十个各种小应用程序的功能。这其中包括有一个迷你的 vi 编辑器,系统不可或缺的 /sbin/init 程序,以及其他诸如 ifconfig, halt, reboot, mkdir, mount, ln, ls, echo, cat 等等。而所有这一切功能却只有区区 1M 左右的大小,Busybox 已经成为构建嵌入式 Linux 文件系统的必备软件。
首先我们从官方网站(http://www.busybox.org/)上下载 BusyBox 的版本 1.0.0。
#tar xvfz busybox-1.00.tar.gz
#cd busybox-1.00
#make menuconfig
下面是需要编译进 busybox 的功能选项,其他的可以根据需要自选。
Build Options
Build BusyBox as a static binary (no shared libs)
这个选项是一定要选择的,这样才能把 busybox 编译成静态链接的可执行文件,运行时才独立于其他函数库,否则必需要其他库文件才能运行,在单个 linux 内核不能使他正常工作。
Do you want to build BusyBox with a Cross Compiler
选择你自己定义的交叉编译环境。
installation Options
don’t use /usr
这个选项也一定要选,否则 make install 后 busybox 将安装在原系统的 /usr 下,这将覆盖系统原有的命令。选择这个选项后,make install 后会在 busybox 目录下生成一个叫 _install 的目录,里面有 busybox 和指向他的链接。
其他选项都是一些 linux 基本命令选项,自己需要哪些命令就编译进去,一般用默认的就可以了,配置好后退出并保存。编译 BusyBox,如果能成功编译 BusyBox,就将编译好的 busybox 复制到 CramFS 文件系统的 /bin 目录下,然后创建常用命令的建立快捷方式。建立快捷方式很简单,只要建一个符号链接,比方 ln -s /bin/busybox /bin/ls,那么,执行 /bin/ls 的时候,busybox 就会执行 ls 的功能,也会按照 ls 的方式处理命令行参数。
(2)、拷贝一些管理员控制程序到 /sbin 目录下,最重要的就是要包含一个 init 命令,可以使用 busybox 提供的系统工具。比如 ln -s /bin/busybox /sbin/init,这样我们就有了系统运行不可或缺的 /sbin/init 程序了。
(3)、拷贝应用程序运行时所需要的库到 /lib,库文件可以从 PC 机上的交叉编译工具安装目录下拷贝,如 libc-2.2.2.so、libcryt-2.2.2.so、libm-2.2.2.so、libutil-2.2.2.so 等,为部分相应库建立快捷方式,提供一些应用程序按快捷方式名称调用。值得注意的是 C 库要采用 C 库的版本 glibc, glibc 位于 /lib/libc.so.6。
4.3 、利用 mkcramfs 工具生成 cramfs 压缩文件系统
一般情况下都要把已经规划好的目录结构转换成一个映象文件,创建 Cramfs 文件系统需要 mkcramfs 工具,mkcramfs 能把相应的 Cramfs 目录树压缩成为单一的映象文件,这个映象文件就是我们需要移植的文件系统。Mkcramfs 的命令格式为:
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们需要的 cramfs 文件系统映象文件,我们可以发现原本为 2.36Mbytes 大小的目录内容,被压缩成一个 1.08Mbytes 的 CramFS 文件系统映象文件, 通过 vivi 或测试程序将其写入 Flash 中就可以验证是否移植成功。
五、小结
CramFS 是一个压缩格式的文件系统,如果系统存储资源比较紧张的话,采用 CramFS 作为嵌入式 Linux 系统的根文件系统是一个不错的选择。
审核编辑 黄昊宇
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