嵌入式 Linux根文件系统移植——根文件系统简介

Posted 2020-08-03

嵌入式 Linux根文件系统移植（二）——根文件系统简介

    根文件系统是内核启动时挂载的第一个文件系统，内核代码映像文件保存在根文件系统中，而系统引导启动程序会在根文件系统挂载之后从中把一些基本的初始化脚本和服务等加载到内存中去运行。

一、嵌入式设备文件系统

    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。Linux的文件系统结构如下：

1、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)。一般情况下，向Flash写入内容时，需要先擦除对应的存储区间，擦除是以块(block)为单位进行的。

    闪存主要有NOR和NAND两种技术。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。传统的文件系统如ext2、ext3等用作Flash的文件系统会有诸多弊端。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。

    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。

    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。MTD驱动程序的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。常见闪存设备的文件系统如下：

A、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。

　　jffs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，jffs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。

B、yaffs

yaffs是Yet Another Flash File System的缩写，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。

C、Cramfs

　　Cramfs是Compressed ROM File System的缩写，是由Linux的创始人 Linus Torvalds参与开发的一种只读的压缩文件系统，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，Cramfs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，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，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。

D、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。

2、基于RAM的文件系统

A、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。

B、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。

嵌入式linux设备可以按照存储设备选择合适的根文件系统类型。

二、文件系统目录标准

        Filesystem Hierarchy Standard（文件系统目录标准）是多数Linux版本采用的文件系统组织形式。FHS采用树形结构组织文件。FHS定义了系统中每个区域的用途、所需要的最小构成的文件和目录。

目录名	存放的内容
/bin	必备的用户命令，例如ls、cp等
/sbin	必备的系统管理员命令，例如ifconfig、reboot等
/dev	设备文件，例如mtdblock0、tty1等
/etc	系统配置文件，包括启动文件，例如inittab等
/lib	必要的链接库，例如C链接库、内核模块
/home	普通用户主目录
/root	root用户主目录
/usr/bin	非必备的用户程序，例如find、du等
/usr/sbin	非必备的管理员程序，例如chroot、inetd等
/usr/lib	库文件
/var	守护程序和工具程序所存放的可变，例如日志文件
/proc	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
/sys	用来提供内核与设备信息的虚拟文件系统，由内核自动生成目录下的内容
/mnt	文件系统挂接点，用于临时安装文件系统
/tmp	临时性的文件，重启后将自动清除

三、根文件系统的挂载分析

Kernel启动过程中，start_kernel函数调用了vfs_caches_init函数，mnt_init函数中的init_rootfs()函数用于注册根文件系统，init_mount_tree()函数用于挂载根文件系统。

void __init vfs_caches_init(unsigned long mempages)
{
unsigned long reserve;
 
reserve = min((mempages - nr_free_pages()) * 3/2, mempages - 1);
mempages -= reserve;
names_cachep = kmem_cache_create("names_cache", PATH_MAX, 0,
SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL);
dcache_init();
inode_init();
files_init(mempages);
mnt_init();
bdev_cache_init();
chrdev_init();
}
void __init mnt_init(void)
{
unsigned u;
int err;
init_rwsem(&namespace_sem);
mnt_cache = kmem_cache_create("mnt_cache", sizeof(struct vfsmount),
0, SLAB_HWCACHE_ALIGN | SLAB_PANIC, NULL);
mount_hashtable = (struct list_head *)__get_free_page(GFP_ATOMIC);
if (!mount_hashtable)
panic("Failed to allocate mount hash table\n");
printk("Mount-cache hash table entries: %lu\n", HASH_SIZE);
for (u = 0; u < HASH_SIZE; u++)
INIT_LIST_HEAD(&mount_hashtable[u]);
err = sysfs_init();
if (err)
printk(KERN_WARNING "%s: sysfs_init error: %d\n",
__func__, err);
fs_kobj = kobject_create_and_add("fs", NULL);
if (!fs_kobj)
printk(KERN_WARNING "%s: kobj create error\n", __func__);
init_rootfs();//根文件系统注册
init_mount_tree();//根文件系统挂载
}
static void __init init_mount_tree(void)
{
struct vfsmount *mnt;
struct mnt_namespace *ns;
struct path root;
mnt = do_kern_mount("rootfs", 0, "rootfs", NULL);
if (IS_ERR(mnt))
panic("Can‘t create rootfs");
ns = create_mnt_ns(mnt);
if (IS_ERR(ns))
panic("Can‘t allocate initial namespace");
init_task.nsproxy->mnt_ns = ns;
get_mnt_ns(ns);
root.mnt = ns->root;
root.dentry = ns->root->mnt_root;
set_fs_pwd(current->fs, &root);
set_fs_root(current->fs, &root);
}
struct vfsmount *
do_kern_mount(const char *fstype, int flags, const char *name, void *data)
{
struct file_system_type *type = get_fs_type(fstype);
struct vfsmount *mnt;
if (!type)
return ERR_PTR(-ENODEV);
mnt = vfs_kern_mount(type, flags, name, data);
if (!IS_ERR(mnt) && (type->fs_flags & FS_HAS_SUBTYPE) &&
    !mnt->mnt_sb->s_subtype)
mnt = fs_set_subtype(mnt, fstype);
put_filesystem(type);
return mnt;
}
 
struct vfsmount *
vfs_kern_mount(struct file_system_type *type, int flags, const char *name, void *data)
{
struct vfsmount *mnt;
char *secdata = NULL;
int error;
if (!type)
return ERR_PTR(-ENODEV);
error = -ENOMEM;
mnt = alloc_vfsmnt(name);
if (!mnt)
goto out;
if (flags & MS_KERNMOUNT)
mnt->mnt_flags = MNT_INTERNAL;
if (data && !(type->fs_flags & FS_BINARY_MOUNTDATA)) {
secdata = alloc_secdata();
if (!secdata)
goto out_mnt;
 
error = security_sb_copy_data(data, secdata);
if (error)
goto out_free_secdata;
}
error = type->get_sb(type, flags, name, data, mnt);
if (error < 0)
goto out_free_secdata;
BUG_ON(!mnt->mnt_sb);
WARN_ON(!mnt->mnt_sb->s_bdi);
mnt->mnt_sb->s_flags |= MS_BORN;
error = security_sb_kern_mount(mnt->mnt_sb, flags, secdata);
if (error)
goto out_sb;
WARN((mnt->mnt_sb->s_maxbytes < 0), "%s set sb->s_maxbytes to "
"negative value (%lld)\n", type->name, mnt->mnt_sb->s_maxbytes);
mnt->mnt_mountpoint = mnt->mnt_root;
mnt->mnt_parent = mnt;
up_write(&mnt->mnt_sb->s_umount);
free_secdata(secdata);
return mnt;
out_sb:
dput(mnt->mnt_root);
deactivate_locked_super(mnt->mnt_sb);
out_free_secdata:
free_secdata(secdata);
out_mnt:
free_vfsmnt(mnt);
out:
return ERR_PTR(error);
}

四、NFS方式挂载根文件系统

    要使用NFS方式挂载根文件系统，则kernel必须支持NFS方式。编译配置kernel时需要make menuconfig配置部分如下：

1、配置网络部分

Networking support

Networking options

TCP/IP networking

IP: kernel level autoconfiguration

[*] IP: DHCP support

[*] IP: BOOTP support

2、NFS方式配置

File systems  --->

Network File Systems  --->

<*> NFS client support

[*] NFS client support for NFS version 3                                  [*] NFS client support for the NFSv3 ACL protocol extension

[*] NFS client support for NFS version 4 (EXPERIMENTAL)

[*] NFS client support for NFSv4.1 (DEVELOPER ONLY)

[*] Root file system on NFS  

 

3、kernel启动参数的设置

在uboot中设置kernel的启动参数：

setenv bootargs root=/dev/nfs nfsroot=192.168.6.200:/home/nfs ip=192.168.6.210:192.168.6.200:192.168.6.1:255.255.255.0::eth0:off  init=/linuxrc console=ttySAC2,115200

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