手动构建rootfs及文件功能分析

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这份笔记记录了从0开始构建一个最小根文件系统的流程，从而达到分析其目录结构及文件的目的，基于的kernel版本为2.6.35

1.结构总览

如图

• /linuxrc：由busybox安装，就是kernel执行的init程序，本质是指向busybox的符号链接
• /bin：由busybox安装，里面是通用命令，如ls
• /sbin：由busybox安装，里面是root权限命令，如shutdown
• /usr：由busybox安装，里面是共享、开放的内容（意思是任意用户都可以使用）
• bin：由busybox安装，里面是共享、开放的命令，如whoami
• sbin：由busybox安装，里面是不重要的系统命令，如deluser

• /etc：里面是各个程序的配置文件，众多程序在运行时需要根据配置文件来指导它们的行为

  • inittab：busybox的配置文件，busybox运行时将根据/etc/inittab来指导自己的行为，可以用它实现应用程序的开机自启动，此外它还调用了rcS
  • fstab：配置文件，被busybox的mount -a 指令读取，指定了系统初始化时应该挂载的文件系统
  • profile：一个脚本程序，被busybox调用，作用是在控制台中显示用户的名字
  • passwd：配置文件，里面记录了用户和密码的设置
  • shadow：配置文件，里面是所有用户的密码（加密过的）
  • init.d：此目录包含了很多系统服务启动时需要运行的脚本
    
    • rcS：控制台初始化程序，在进入控制台前被busybox调用执行，可以利用它实现应用程序的开机自启动

• sysconfig：

  • HOSTNAME：配置文件，里面存放用户的名字，会被rcs读取

• /proc：系统的虚拟文件系统的挂载点，要自己创建，里面是虚拟的文件，表示了系统的一部分状态

• /sys：系统的虚拟文件系统的挂载点，要自己创建，里面是虚拟的文件，非常全面的表示了系统状态
• /tmp：系统的虚拟文件系统的挂载点，要自己创建，用于存放临时生成的文件，一般是空的
• /var：系统的虚拟文件系统的挂载点，要自己创建，用于存放一些数据
• /dev：系统的虚拟文件系统的挂载点，要自己创建，用于存放设备文件
• /lib：里面存放了很多库文件，应用程序会进去加载需要的动态链接库

2.安装busybox

可以从官网https://busybox.net/downloads/ 下载到源码，我们使用2015年的1.24.1版本。busybox这个项目借鉴了很多kernel的地方，比如配置部分和Makefile等，我们只要按照kernel的方法操作它就行了

• 进入源码目录，打开Makefile检查架构和交叉编译工具链，利用/在vim中搜索CROSS_COMPILE和ARCH，将其改为

ARCH = armCROSS_COMPILE = /usr/local/arm/arm-2009q3/bin//arm-none-linux-gnueabi-
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• 然后直接make menuconfig，开始配置busybox。首先进入Busybox Settings->Build Options 配置使用静态链接库，因为我们要移植到开发板所以不要使用动态链接库
  
  再进入Busybox Settings->Busybox Library Tuning，设置为vi风格
  
  进入Linux Module Utilities，设置模块化，注意要取消 Simplified modutils，然后选择下面的子选项
  
  进入Linux System Utilities，确认mdev下面的子选项都被选中了
  
  进入 Busybox Settings->Installation Options (“make install” behavior)，修改busybox的安装路径
  
• 配置完了直接编译，make -j4，发现报错了：
  
  看来是sync.c报错了，google一下，发现这个sync功能并不是什么特别有用的，我们直接在menu config中将其屏蔽即可。然后再编译，发现没有报错
• 然后输入 make install 来安装busybox，这一步主要的目的是把编译生成的一大坨可执行文件、和依赖的库文件，妥当的安装到我们指定的目录下（即根文件系统目录）

3.添加/etc/inittab

/etc目录里面是各个程序的配置文件，众多程序在运行时需要根据配置文件来指导它们的行为
此处的/etc/inittab就是busybox的配置文件之一，busybox运行时将根据/etc/inittab来指导自己的行为。如果我们要添加自己的自启应用程序，并不推荐inittab，推荐rc*.d，详见第5节。

• 首先手动创建/etc目录，然后在里面创建/etc/inittab文件，并向其内部添加：

#sjh:这是一个典型的inittab内容#first:run the system script file::sysinit:/etc/init.d/rcS::sysinit:/bin/login::askfirst:-/bin/sh::ctrlaltdel:-/sbin/reboot#umount all filesystem::shutdown:/bin/umount -a -r#restart init process::restart:/sbin/init
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• inittab文件内容是严格按照一定的格式的，非#开头的就是正式语句了，每一行都是一个配置项
• 配置项的标准格式为，id:runlevels:action:process 其中，冒号代表分隔符，分隔开各个部分；id和runlevels不是很重要，一般能省略，这就是为什么上面这段代码行首有两个冒号的原因；action代表一个条件/状态；process代表操作
• ::sysinit:/etc/init.d/rcS的意思是：当条件状态为“访问控制台前的初始化”时，执行“/etc/init.d/rcS”
• ::sysinit:/bin/login的意思是：当条件状态为“访问控制台前的初始化”时，执行“/bin/login”即启动用户登录程序
• ::askfirst:-/bin/sh的意思是：当条件状态为“启动程序前（不太理解？）”是，执行“-/bin/sh”
• ::ctrlaltdel:-/sbin/reboot的意思是：当条件状态为“重启”时，执行“-/sbin/reboot”
• ::shutdown:/bin/umount -a -r的意思是：当条件状态为“关机”时，执行“/bin/umount -a -r”（意思是取消挂载的目录）
• ::restart:/sbin/init的意思是：当条件状态为“重启init（busybox）”时，执行“/sbin/init”（init其实就是busybox）
• 总之，busybox在运行时会不断的循环判断，一旦当前符合条件状态了inittab中的某一个配置项，它就会执行相应的操作。可见，inittab文件对于busybox相当重要

4.添加/etc/init.d/rcS

/etc/init.d/rcS是被busybox调用的控制台初始化程序，这个文件是一个shell脚本，在开机访问控制台前它将被busybox执行，可以认为rcS是一个开机就执行的初始化程序
如果我们要添加自己的自启应用程序，并不推荐rcS，推荐rc*.d，详见第5节

• 首先手动创建/etc/init.d/，然后在里面创建rcS，并向其内部添加

#!/bin/shPATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/binrunlevel=Sprevlevel=Numask 022export PATH runlevel prevlevelmount -aecho /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplugmdev -s/bin/hostname -F /etc/sysconfig/HOSTNAMEifconfig eth0 192.168.1.3
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• 首先一上来定义了三个变量PATH、runlevel、prevlevel，并将其导出为环境变量
• PATH这个环境变量代表应用程序的默认路径，当我们执行应用程序（如 ls）时可以不输入路径，busybox会去这个路径内搜索。PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin表示将应用程序默认路径设置为/sbin、/bin、/usr/sbin、/usr/bin，冒号为分隔符
• runlevel这个环境变量表示Linux系统的运行级别（模式）设置，比如0代表关机，1代表单用户root模式，2代表多用户模式，我们这里设置的S代表的也是单用户root模式
• prevlevel这个环境变量不是很重要
• umask 022表示设置umask值为022，umask决定了用户创建新文件时，新文件的权限，一般来说默认的022够用了
• mount -a表示挂载指定的文件系统，具体由/etc/fstab（见后文）指定
• echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug表示创建符号链接mdev，指向hotplug，这一步的根本目的是实现热插拔设备功能，其实就是当驱动模块被加载时，自动生成/dev下的设备文件
• mdev -s，表示开启扫描驱动设备模块，如果扫描到了就自动生成/dev下的设备文件。这一步和上一步其实就是开启mdev的“自动创建设备文件功能”
• /bin/hostname -F /etc/sysconfig/HOSTNAME表示执行了hostname程序，把当前主机的名字设置为HOSTNAME（见后文）文件中的主机名，-F是参数，表示去文件中获取主机名
• ifconfig eth0 192.168.1.3表示设置ip地址

5.添加/etc/rc*.d目录（可选）

这是一种当前非常流行的开机启动设置方式，/etc/rc*.d中的脚本将被开机启动。rc*.d中的*代表了了启动优先级

• 如果文件系统中有这类目录，那么我们应该按照这个方法设置开机启动程序。如果本来就没有，那么也没必要强行添加，也能在/etc/inittab或/etc/init.d/rcS设置开机启动
• 关于添加开机启动的注意点：
  
  • 能后台运行尽量后台运行，前台运行会占用控制台，如果需要后台运行，则只需在指令后面加&即可，如/test/hello_static &
  • 开机启动的程序中，应该使用全路径，因为只有登录后，当前目录才会进入~/，而开机启动的程序有可能在登录前运行（也有可能根本不登录），所以使用全路径比较保险

6.添加/etc/fstab

该文件指定了系统初始化时应该挂载的文件系统，
首先手动创建/etc/fstab，并向其内部添加：

#   <file system>   <mount point>   <type>  <options>   <dump>  <pass>    proc            /proc           proc    defaults    0       0    sysfs           /sys            sysfs   defaults    0       0    tmpfs           /var            tmpfs   defaults    0       0    tmpfs           /tmp            tmpfs   defaults    0       0    tmpfs           /dev            tmpfs   defaults    0       0
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• 上面几栏分别代表要挂载的设备、挂载的地点（目录）、按什么类型挂载、选项
• 其实这些都是虚拟文件系统，具体和驱动有关

7.添加/etc/sysconfig/HOSTNAME和/etc/profile

• /etc/sysconfig/HOSTNAME是系统初始化程序rcS读取的一个配置文件，里面是用户的名字
• /etc/profile是一个脚本程序，被busybox调用，它可以在控制台中显示用户的名字，如图：
  
• 手动创建这两个文件，往HOSTNAME中写用户名，往profile中填充：

   # Ash profile   # vim: syntax=sh   # No core files by default   ulimit -S -c 0 > /dev/null 2>&1   USER="`id -un`"   LOGNAME=$USER   PS1='[\u@\h \W]\# '   PATH=$PATH   HOSTNAME=`/bin/hostname`   export USER LOGNAME PS1 PATH
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8.添加/proc、/sys、/tmp、/var、/dev

这些目录都将作为系统的虚拟文件系统的挂载点，自己手动创建即可，busybox的mount -a 指令会根据/etc/fstab文件自动挂载虚拟文件系统到这些目录

• /proc的作用是展示内核运行时的一些数据结构，它们将以文件的方式呈现在/proc中，开发者可以通过观察其中的文件来了解内核的运行信息。虚拟文件的内容都是动态创建的，它们并非完全是只读的，前面介绍的写/proc/sys/kernel/printk 可以改变 printk的打印级别
• /sys的作用和/proc完全相同，它是/proc的升级版本，里面的虚拟文件基本都可以读写

9.（可选）添加/etc/passwd、/etc/shadow

这两个文件内部配置了用户和密码相关的设置，一般的嵌入式系统用不到这个功能。如果需要使用可以在网上搜索这两个文件的格式

10.添加/lib

在主机中交叉编译出来的应用程序若使用了静态链接库，则可以直接在开发板上跑。而使用了动态链接的则不行，因为执行时在需要开发板上加载库文件。所以在rootfs中添加动态链接库文件是必不可少的

• 首先·要获取库文件，一般来说在交叉编译工具链中是有提供的。我们用的arm-2009q3工具链的动态链接库在/usr/local/arm/arm-2009q3/arm-none-linux-gnueabi/libc/lib目录下。其他的一些交叉编译工具链中动态链接库的目录不一定在这里，要去找一下。找的方法就是find
• 复制动态链接库到roots/lib目录下。复制时要注意参数用-rdf，主要目的就是符号链接复制过来还是符号链接
• （可选）当使用norflash，空间不足时，我们可以裁剪动态链接库中的调试符号信息。裁剪的方法是使用交叉编译工具链中的arm-none-linux-gnueabi-strip工具，我们在lib目录下输入arm-none-linux-gnueabi-strip *so*，把所有名字中的含有so的库文件都裁剪掉他们的调试符号信息。裁完发现lib文件夹大小由3.8mb缩为了3.0mb，而zImage一共也才3.5mb，可见裁掉的这些空间非常可观