linux文件系统制作流程

Linux 文件系统简介

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(Virtual File System)，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下的文件系统结构如下：

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。

>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(简单比较见附录)。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。

在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,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。

顺便一提，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。

1． jffs2

JFFS文件系统最早是由瑞典Axis Communications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 (Journalling Flash FileSystem v2)

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。

目前jffs3正在开发中。关于jffs系列文件系统的使用详细文档，可参考MTD补丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。

jffsx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，jffsx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

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(512 Bytes) 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

Cramfs是Linux的创始人 Linus Torvalds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(eXecute In Place，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。

>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Linus Torvalds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 (Network File System)

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-based file system)，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(logical or pseudo file system)，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。

开发环境

操作系统：Ubuntu 10.4（linux kernel-v2.6.31）

移植Linux内核版本：2.6.30

交叉编译工具：arm-linux-gcc 4.3.2

文件系统制作工具：Busybox-1.16.1

下载Busybox-1.16.1

Busybox-1.16.1的下载地址：

配置Busybox

1． 创建制作文件系统的根目录

在提示符后输入：

/opt# mkdir rootfs

2． 解压busybox-1.16.1

进入存放busybox-1.16.1压缩包文件的目录，在提示符后输入：

/opt# tar jxvf busybox-1.16.1.tar.ba2

3． 进入busybox-1.16.1根目录，修改Makefile，修改ARCH 和CROSS_COMPILE两变量的值

ARCH ?= arm

CROSS_COMPILE ?= arm-linux-

4． 通过busybox的配置菜单配置制作的文件系统

在提示符后输入：

/opt/ busybox-1.16.1# make menuconfig

系统将弹出配置菜单，通过菜单选择需要的选项，如图1所示：

图 1

以下选项必须选择：

Busybox Setting----->

       build option-->

   [ ] Build BusyBox as a static binary (no shared libs)

   [ ]   Build BusyBox as a position independent executable (NEW)

   [ ] Force NOMMU build

   [ ] Build shared libbusybox

[*]   Produce a binary for each applet, linked against libbusybox

[*]   Produce additional busybox binary linked against libbusybox

   [ ] Build with Large File Support (for accessing files > 2 GB)

() Cross Compiler prefix

() Additional CFLAGS

Busybox Setting----->

installation option-->

[*] Don't use /usr                                                    

        Applets links (as soft-links) --->                                   

   (/opt/rootfs) BusyBox installation prefix (该项输入编译安装路径，在此输入rootfs文件路径)

Busybox Library Tuning --->

MD5: Trade Bytes for Speed                                      

[*] Faster /proc scanning code (+100 bytes)                            

[*] Support for /etc/networks                                    

[*] Support for /etc/networks

[*] Additional editing keys

[*]    vi-style line editing commands

[*]    History saving

[*]    Tab completion

[*]      Username completion

[*]    Fancy shell prompts

若出现如图2所示的错误：

图 2

请安装有关编译程序。安装make ,gcc, make-kpkg,运行menuconfig等等和编译内核相关的工具。

有关命令如下：

/opt# sudo apt-get install build-essential kernel-package libncurses5- dev

若安装不了，请检查/etc/apt/sources.list 文件。

编译Busybox

在提示符后输入：

/opt/ busybox-1.16.1# make install

在rootfs文件下会多了bin、sbin两个文件夹和一个linuxrc文件，如图3所示：

图 3

1.   创建文件系统其它目录

进入rootfs目录，在提示符后输入：

/opt/ rootfs# mkdir boot dev etc home lib mnt proc root sys tmp var usr

建立其它基本的目录，如图4所示：

图 4

2.    建立及复制文件系统所需的文件

1. 在/rootfs/dev/目录下建立console和null节点文件 (要root身份)

若缺少这两个文件，在挂载文件系统时将会有报错信息，如图5所示：

图 5

进入/rootfs/dev/目录，在提示符后输入：

/opt/rootfs/dev# mknod -m 666 console c 5 1

/opt/rootfs/dev# mknod -m 666 null c 1 3

如图6所示：

图 6

2. 在/rootfs/etc/目录下建立fstab和inittab文件

进入/rootfs/etc/目录，创建fstab文件，其内容如下：

none            /proc           proc    defaults             0     0

none            /dev/pts        devpts mode=0622     0     0

tmpfs           /dev/shm        tmpfs   defaults       0     0

进入/rootfs/etc/目录，创建inittab文件，其内容如下：

#[inittab]

::sysinit:/etc/init.d/rcS

::askfirst:-/bin/sh

::restart:/sbin/init

::ctrlaltdel:/sbin/reboot

::shutdown:/bin/umount -a –r

::shutdown:/sbin/swapoff –a

最后在提示符下输入：

/opt/rootfs/etc# chmod +x fstab inittab

3. 在/rootfs/etc/init.d/目录下建立rcS文件

进入/rootfs/etc/目录，创建init.d目录，在该目录下创建rcS文件，其内容如下：

#! /bin/sh

export PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin

echo "running /etc/init.d/rcS"

echo " mount -t proc proc /proc"

mount -t proc proc /proc

echo " mount -t sysfs /sys /sys"

mount -t sysfs /sys /sys

# echo " mount -t tmpfs /tmpfs /dev "

#/mount -t tmpfs /tmpfs /dev

#echo "mount ramfs filesystem to /var"

#/mount -t ramfs none /var

#echo "starting udevd..."

#/udevd --daemon

#/udevstart

#ln -s /dev/rtc0 /dev/rtc

#/mount -t yaffs2 /dev/mtdblock1 /home/

#hostname SBC6020

#ifconfig lo 127.0.0.1 netmask 255.0.0.0

#ifconfig eth1 192.192.192.200 netmask 255.255.255.0

#ifconfig eth0 hw ether 00:11:22:33:44:55

#ifconfig eth0 192.168.0.1 netmask 255.255.255.0

#/opt/apache/bin/apachectl start

#exec /etc/init.d/rcS.local

最后在提示符下输入：

/opt/rootfs/etc/init.d# chmod +x rcS

4. 复制lib库文件

/opt/rootfs# cp –rfv *.* /usr/local/arm/4.3.2/arm-none-linux-gnueabi/libc/armv4t/lib ./

若无动态lib库文件，挂载文件系统时，将会出现如图7所示的错误：

图 7

当然，你也可以在配置busybox时，选择如下选择：

Busybox Setting----->

       build option-->

   [*] Build BusyBox as a static binary (no shared libs)

使用静态库，这样就不必复制lib库文件了。

至此，一个基本的文件系统制作完毕。如图8所示：

图 8

文件历史记录

版本            编制                    日期                        更改内容

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V1.0           抵岸科技              2010-7-4                首发