重新来梳理一下根文件系统编译。

根文件系统里面有什么？

内核挂载根文件系统，可以以initramfs的方式，或者通过root=参数指定的设备来挂载，然后执行其init程序来进行接下来的初始化。

最小的根文件系统包含下面这些基本组件：

init：用于初始化系统基本环境的程序，通常会调用一系列的脚本
shell：提供一个用于交互的命令行环境，以执行其他的程序
Daemons：守护进程为其他程序提供基础服务
Shared libraries：很多程序都会使用到共享库，所以这个是必须的
Configuration files：对守护进程对应的配置文件，通常位于/etc目录下
Device nodes：设备节点提供应用程序的访问设备驱动的通道
proc and sys：提供对内核参数的检测和控制文件夹
Kernel modules：内核模块会被安装于/lib/modules/<kernel versoin>/中

目录的分布

为满足 FHS（Filesystem Hierarchy Standard）标准，一般目录分布如下：

/bin：对所有用户都适用的基础命令
/dev/：存放设备节点和其他特殊文件
/etc/：系统配置文件
/lib：系统基本的共享库
/proc：对进程等内核参数进行交互的虚拟文件
/sbin：对系统管理员所适用的基础命令
/sys：描述设备何其驱动对应关系的虚拟文件
/tmp：用于存放临时文件的 RAM fs
/usr：更多的命令、库、管理员工具等
/var：存放在运行时会被改变的文件

对于 proc和sysfs是需要挂载的：

$ mount [-t vfstype] [-o options] device directory
# 挂载存储设备时，大部分情况下不用主动指明文件系统
# 而对于 proc,sysfs 这种伪文件系统，则需要指明
# mount -t proc proc /proc
# mount -t sysfs sysfs /sys

创建`staging`文件夹

所谓的staging文件夹，就是一个根文件系统的基础框架，在最开始可以创建它：

$ mkdir ~/rootfs
$ cd ~/rootfs
$ mkdir bin dev etc home lib proc sbin sys tmp usr var
$ mkdir usr/bin usr/lib usr/sbin
$ mkdir -p var/log
# 对于 ARM64 lib 引用的是 lib64，其实只需要为 lib 创建软链接即可
$ ln -s lib lib64

接下来就是要考虑一些文件的权限问题了，对于一些重要文件应该限制为root用户才能操作。而其他程序应该运行在普通用户模式。

目录中具有的程序

`init`程序

init程序是进入根文件系统后运行的第一个程序。

对于 busybox 而言，就是/sbin/init，最终还是指向 busybox 这个独立可执行程序。

init程序首先会读取/etc/inittab中的配置，然后依次启动对应的程序。

Shell

Shell用户运行脚步，和用户交互等。在嵌入式系统中，有这么几个常用的Shell：

bash：功能强大，但是体积占用也大，一般运行于桌面系统中。
ash：和bash兼容性很好，且体积占用小，适合于嵌入式系统。
hush：用于 bootloader，占用很小的 shell。

其实只要空间不紧张，嵌入式也使用bash就好，因为和桌面系统完全一致，避免在桌面可以正常运行的脚本在嵌入式端运行就不正常了。

工具程序

工具程序用于支撑其他程序的正常运行。

BusyBox

原理

这些程序要是手动编译一个个放入文件系统会累死，而BusyBox就将这些工具精简编译到一个可执行程序中，这个程序就包含了常用的命令。

busybox.nosuid
cat -> /bin/busybox.nosuid
chgrp -> /bin/busybox.nosuid
chmod -> /bin/busybox.nosuid
chown -> /bin/busybox.nosuid
cp -> /bin/busybox.nosuid
cpio -> /bin/busybox.nosuid
date -> /bin/busybox.nosuid
dd -> /bin/busybox.nosuid
df -> /bin/busybox.nosuid
dmesg -> /bin/busybox.nosuid

当用户输入cat时，实际上是调用了busybox这个可执行文件，该文件按照如下流程处理：

获取argv[0]得到字符串cat
然后根据该字符串获取到对应入口函数cat_main
执行cat_main

构建 BusyBox

首选获取源码：

1	$ git clone https://git.busybox.net/busybox

然后切换到最新稳定版：

1	$ git checkout 1_34_stable

按照惯例，当然是先clean 一下：

1	$ make distclean

使用其默认配置即可：

1	$ make defconfig

然后使用make menuconfig 进入Settings -> Cross compiler prefix来设置安装路径到前面的 staging 目录。

接下来便是编译及安装：

$ export CROSS_COMPILE=arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-
$ export ARCH=arm
$ make
$ make install

可以看到 staging 目录中已经安装好了，且那些文件都以软连接的形式指向了busybox这个可执行文件。

根文件系统中的库

应用程序要运行，就要依赖部分编译工具链中的库，简单粗暴的解决方式就是把这些库都拷贝到 staging 目录中。

1 2	# 以 SYSROOT 存储路径，比较方便 $ export SYSROOT=$(arm-cortex_a8-linux-gnueabihf-gcc -print-sysroot)

其中lib文件夹存储得是共享链接库，将它们复制进去即可：

1 2	# 使用 -a ，不破坏其软连接 cec@box:~/lab/rootfs$ cp -aR ${SYSROOT}/lib/** ./lib/

设备节点

创建设备节点使用命令mknod：

1 2	# 依次是设备节点名称，类型，主设备号，次设备号 $ mknod <name> <type> <major> <minor>

主设备号和次设备号可以在 Documentation/devices.txt文件中找到

对于 BusyBox 而言，所需要的两个节点是console和null：

# null 节点所有用户都可以读写，所以权限是 666
$ sudo mknod -m 666 dev/null c 1 3
# console 节点只允许 root 操作，所以权限是 600
$ sudo mknod -m 600 dev/console c 5 1

内核模块

内核模块也需要被安装在根文件系统中，需要被内核设置INSTALL_MOD_PATH：

1 2	# 由于前面已经设置了 ARCH 和 CROSS_COMPILE 所以这里就不用设置了 $ make INSTALL_MOD_PATH=/home/cec/lab/rootfs modules_install

可以看到模块都被安装到了根文件系统的lib/modules/<kernel_version>目录下了。

但是会发现还安装了source和build文件夹，这个是嵌入式中不需要的，可以把它们删除。

创建 initramfs

在使用initramfs之前需要确保CONFIG_BLK_DEV_INITRD=y，以表示内核支持initramfs。

创建initramfs有以下 3 种方法：

独立打包为cpio格式的文件包：这种方式最为灵活
将initramfs嵌入到内核镜像文件中
由内核构建系统将其编译进去

创建一个独立包

先打包到上级目录：

1 2	# 指定了 GID 和 UID 都是 root cec@box:~/lab/rootfs$ find . \| cpio -H newc -ov --owner root:root > ../initramfs.cpio

然后再进行一次压缩：

1	cec@box:~/lab/rootfs$ gzip initramfs.cpio

最后使用工具mkimage来为文件加入头：

cec@box:~/lab$ mkimage -A arm -O linux -T ramdisk -d initramfs.cpio.gz uRamdisk
Image Name:   
Created:      Fri Mar  1 09:18:49 2024
Image Type:   ARM Linux RAMDisk Image (gzip compressed)
Data Size:    27835346 Bytes = 27182.96 KiB = 26.55 MiB
Load Address: 00000000
Entry Point:  00000000

需要注意的是：initramfs 包体积不能太大，因为压缩包和解压后的文件都会全部存在于内存中！

这篇文章有讲到，initramfs包最好小于内存的 25%

启动独立包

拷贝进 SD 卡

作为测试目的，我们可以将uRamdisk也拷贝到 SD 卡的第一分区，然后在 U-boot 中载入。

载入到 DDR

然后需要将initramfs载入到 DDR 中，前面我们将：

Image 载入到 0x80200000
FDT 载入到 0x80f00000

而 FDT 目前大小只有 58KB，那么可以将uRamdisk载入到0x81000000

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$ fatload mmc 0:1 0x80200000 zImage
$ fatload mmc 0:1 0x80f00000 am335x-boneblack.dtb
$ fatload mmc 0:1 0x81000000 uRamdisk

指定启动的init程序

需要在bootargs中加入启动程序是 shell：rdinit=/bin/sh

1	$ setenv bootargs console=ttyO0,115200 rdinit=/bin/sh

使用 booti 启动

也就是说在原来的基础上，加上initramfs的地址即可：

1 2	# $ bootz ${loadaddr} ${initrd_addr} ${fdt_addr} $ bootz 0x80200000 0x81000000 0x80f00000

这个时候会发现没有工作控制流而给出警告：

1	/bin/sh: can't access tty; job control turned off

将 initramfs 嵌入内核

将initramfs嵌入内核非常简单：在General setup -> Initramfs source file(s)中指定未压缩的 cpio 文件，然后再次运行 make 即可。

这样设置以后，便可以在 bootloader 中指定内核和设备树地址就行了。

这里需要注意内核 + initramfs 所占用的空间，设备树需要预留足够多的空间以避免相互覆盖。

比如当前内核 + initramfs 就有 50MB，那么设备树的载入位置需要再往后放一点。

当前开发板具有 512MB 内存，那 DDR 寻址范围是 0x80000000 ~ 0xA0000000。

所以设备树的位置预留足够位置即可，比如放置在 0x8CA00000 处，就预留了 200MB 的空间。

编译进内核以后，启动命令就简单了一点：

fatload mmc 0:1 0x80200000 zImage
fatload mmc 0:1 0x8CA00000 am335x-boneblack.dtb
setenv bootargs console=ttyO0,115200 rdinit=/bin/sh
bootz 0x80200000 - 0x8CA00000

以设备列表的形式构建 initramfs

设备列表就是一个配置文件，用以列出文件、文件夹、设备节点、链接等等。

在构建内核的时候，也就会生成按照设备列表配置的 cpio 文件。

和上面的方式一样，在内核的Initramfs source file(s)处指向该配置文件。

cpio文件就会在编译时创建。

下面是一个简单的示例：

# dir <name> <mode> <uid> <gid>
dir /bin 775 0 0
dir /sys 775 0 0
dir /tmp 775 0 0
dir /dev 775 0 0
# nod <name> <mode> <uid> <gid> <dev_type> <maj> <min>
nod /dev/null 666 0 0 c 1 3
nod /dev/console 600 0 0 c 5 1
dir /home 775 0 0
dir /proc 775 0 0
dir /lib 775 0 0
# slink <name> <target> <mode> <uid> <gid>
slink /lib/libm.so.6 libm-2.22.so 777 0 0
slink /lib/libc.so.6 libc-2.22.so 777 0 0
slink /lib/ld-linux-armhf.so.3 ld-2.22.so 777 0 0
# file <name> <location> <mode> <uid> <gid>
file /lib/libm-2.22.so /home/chris/rootfs/lib/libm-2.22.so 755 
0 0
file /lib/libc-2.22.so /home/chris/rootfs/lib/libc-2.22.so 755 
0 0
file /lib/ld-2.22.so /home/chris/rootfs/lib/ld-2.22.so 755 0 0

可以使用内核文件/usr/gen_initramfs_list.sh来根据前面的 rootfs 生成一个配置文文件：

1	$ ./usr/gen_initramfs_list.sh -u 1000 -g 1000 ~/lab/rootfs > initramfs-device-table

完整启动 initramfs

前面的启动过程，会由于 initramfs 缺少文件而退出 shell，而正确的启动流程是：

内核启动/sbin/init程序
/sbin/init读取/etc/inittab确定启动级别及运行 shell
根据/etc/inittab中的内容找到/etc/init.d/rcS然后依次运行对应脚本进行环境初始化

而busybox在其源码examples/bootfloppy/etc/中就提供了通用的示例，将其拷贝到我们创建的rootfs中是比较简单的方法：

1	cec@box:~/lab/rootfs$ cp -aR ../busybox/examples/bootfloppy/etc/** etc/

inittab 修改

作为测试目的，对其进行简单修改：

# 启动初始化脚本为 /etc/init.d/rcS
::sysinit:/etc/init.d/rcS
# 虚拟终端作为 shell
::askfirst:-/bin/sh

rcS 修改

在 rcS脚本中，需要至少挂载proc,sys两个虚拟文件系统：

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#!/bin/sh
mount -t proc proc /proc 
mount -t sysfs sysfs /sys

修改以后再次打包为 cpio 文件，对应的 bootargs 就可以修改：

fatload mmc 0:1 0x80200000 zImage
fatload mmc 0:1 0x8CA00000 am335x-boneblack.dtb
setenv bootargs console=ttyO0,115200 rdinit=/sbin/init
bootz 0x80200000 - 0x8CA00000

增加用户配置

busybox默认会支持 shadow 特性，这需要添加用户配置文件。

用户名及相关信息被配置于/etc/passwd文件中，每个用户一行，中间以冒号分开，依次是：

用户名
x代表密码存储于/etc/shadow

/etc/passwd是所有人可读的，而/etc/shadow则只能是 root 用户和组可以读，以此来保证安全性。
用户 ID
组 ID
注释
用户的home目录
用户所使用的 shell

1 2	root:x:0:0:root:/root:/bin/sh daemon:x:1:1:daemon:/usr/sbin:/bin/false

组名称则存储于/etc/group中，也是每个组一行，中间以冒号分开：

组名
组密码，x代表该组没有密码
组 ID
那些用于属于该组

1 2	root:x:0: daemon:x:1:

/etc/shadow 中的示例内容如下：

1 2	root::10933:0:99999:7::: daemon:*:10933:0:99999:7:::

在 rootfs 中加入这几个文件，其中 /etc/shadow 需要修改权限为 600，以便只有 root 可以打开此文件。

然后再编辑 etc/inittab 让初始启动程序为 getty 获取用户名及密码验证：

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::sysinit:/etc/init.d/rcS
# respawn 代表当一个用户退出后，又重新启动 getty
::respawn:/sbin/getty 115200 console

创建设备节点更好的方法

mknod创建设备节点比较繁琐，还有其他更好的办法：

devtmpfs：这是在启动时被挂载到/dev的伪文件系统。内核通过它来动态的增加和删除设备节点。
mdev：由 busybox 提供的工具，通过读取/etc/mdev.conf来达到自动挂载节点的目的
udev：功能和udev类似，现在属于systemd的一部分

在实际使用中，一般是通过devtmpfs来自动创建节点，而mdev/udev来设置节点的属性。

`devtmpfs`

在使用devtmpfs之前，需要确保内核已经使能了CONFIG_DEVTMPFS。

如果使能了 CONFIG_DEVTMPFS_MOUNT 内核会自动挂载该文件系统，只是不适用于 initramfs

然后在启动脚本中挂载devtmpfs：

1	mount -t devtmpfs devtmpfs /dev

`mdev`

在使用mdev之前，需要在启动脚本中将其设置为接收内核发送的hotplug事件，然后再启动mdev：

1 2	echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug mdev -s

mdev会根据/etc/mdev.conf文件来配置节点的属性：

# file /etc/mdev.conf
null root:root 666
random root:root 444
urandom root:root 444

关于 mdev更多说明，参考 busybox 源码中的 docs/mdev.txt文件。

网络配置

基本配置

与网络配置相关的文件有：

etc/network
etc/network/if-pre-up.d
etc/network/if-up.d
etc/network/interfaces
var/run

其中interfaces中是对网络的配置：

auto lo
iface lo inet loopback

# 配置 eth0 为静态 IP
auto eth0
iface eth0 inet static
    address 192.168.1.101
    netmask 255.255.255.0
    network 192.168.1.0

# 也可以这样配置，使用动态 IP
# auto eth0
# iface eth0 inet dhcp
# iface eth1 inet dhcp

对于动态 IP，busybox 使用 udchpcd运行/usr/share/udhcpc/default.script来完成配置，可以拷贝examples/udhcp/simple.script来完成。

字符串映射

glibc 使用 name service switch（NSS）来实现从名称到特定数值的转换。

比如从用户名转换到 UID，从服务器名称转换到端口号，从主机名称转换到 IP 地址等。

这些配置被存储于/etc/nssswitch.conf文件中：

passwd:    files # 查询 UID ，就在 /etc/passwd
group:     files
shadow:    files
hosts:     files dns # 查询主机就在 /etc/hosts，如果查询不到就从 DNS 查询
networks:  files
protocols: files
services:  files # 查询端口号，就在 /etc/services

这些文件完全可以在当前主机中拷贝，这些文件都是有统一格式的。

最后还需要安装库以便于正确执行名称查找：

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$ cd ~/rootfs
$ cp -a $SYSROOT/lib/libnss* lib
$ cp -a $SYSROOT/lib/libresolv* lib

explorer

构建根文件系统

根文件系统里面有什么？

目录的分布

创建`staging`文件夹

目录中具有的程序

`init`程序

Shell

工具程序

BusyBox

原理

构建 BusyBox

根文件系统中的库

设备节点

内核模块

创建 initramfs

创建一个独立包

启动独立包

拷贝进 SD 卡

载入到 DDR

将 initramfs 嵌入内核

以设备列表的形式构建 initramfs

完整启动 initramfs

inittab 修改

rcS 修改

增加用户配置

创建设备节点更好的方法

`devtmpfs`

`mdev`

网络配置

基本配置

字符串映射

根文件系统里面有什么？

目录的分布

创建staging文件夹

目录中具有的程序

init程序

Shell

工具程序

BusyBox

原理

构建 BusyBox

根文件系统中的库

设备节点

内核模块

创建 initramfs

创建一个独立包

启动独立包

拷贝进 SD 卡

载入到 DDR

将 initramfs 嵌入内核

以设备列表的形式构建 initramfs

完整启动 initramfs

inittab 修改

rcS 修改

增加用户配置

创建设备节点更好的方法

devtmpfs

mdev

网络配置

基本配置

字符串映射

创建`staging`文件夹

`init`程序

`devtmpfs`

`mdev`