linux文件系統製作流程
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Linux 文件系統簡介
Linux支持多種文件系統，包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等，爲了對各類文件系統進行統一管理，Linux引入了虛擬文件系統VFS(Virtual File System)，爲各類文件系統提供一個統一的操作界面和應用編程接口。
Linux下的文件系統結構如下：
Linux啓動時，第一個必須掛載的是根文件系統；若系統不能從指定設備上掛載根文件系統，則系統會出錯而退出啓動。之後可以自動或手動掛載其他的文件系統。因此，一個系統中可以同時存在不同的文件系統。
不同的文件系統類型有不同的特點，因而根據存儲設備的硬件特性、系統需求等有不同的應用場合。在嵌入式Linux應用中，主要的存儲設備爲RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常採用FLASH存儲器)，常用的基於存儲設備的文件系統類型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。
>基於FLASH的文件系統
Flash(閃存)作爲嵌入式系統的主要存儲媒介，有其自身的特性。Flash的寫入操作只能把對應位置的1修改爲0，而不能把0修改爲1(擦除Flash就是把對應存儲塊的內容恢復爲1)，因此，一般情況下，向Flash寫入內容時，需要先擦除對應的存儲區間，這種擦除是以塊(block)爲單位進行的。
閃存主要有NOR和NAND兩種技術(簡單比較見附錄)。Flash存儲器的擦寫次數是有限的，NAND閃存還有特殊的硬件接口和讀寫時序。因此，必須針對Flash的硬件特性設計符合應用要求的文件系統；傳統的文件系統如ext2等，用作Flash的文件系統會有諸多弊端。
在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存儲技術設備)爲底層硬件(閃存)和上層(文件系統)之間提供一個統一的抽象接口，即Flash的文件系統都是基於MTD驅動層的(參見上面的Linux下的文件系統結構圖)。使用MTD驅動程序的主要優點在於，它是專門針對各種非易失性存儲器(以閃存爲主)而設計的，因而它對Flash有更好的支持、管理和基於扇區的擦除、讀/寫操作接口。
順便一提，一塊Flash芯片可以被劃分爲多個分區，各分區可以採用不同的文件系統；兩塊Flash芯片也可以合併爲一個分區使用，採用一個文件系統。即文件系統是針對於存儲器分區而言的，而非存儲芯片。
1． jffs2
JFFS文件系統最早是由瑞典Axis Communications公司基於Linux2.0的內核爲嵌入式系統開發的文件系統。JFFS2是RedHat公司基於JFFS開發的閃存文件系統，最初是針對RedHat公司的嵌入式產品eCos開發的嵌入式文件系統，所以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。
Jffs2: 日誌閃存文件系統版本2 (Journalling Flash FileSystem v2)
主要用於NOR型閃存，基於MTD驅動層，特點是：可讀寫的、支持數據壓縮的、基於哈希表的日誌型文件系統，並提供了崩潰/掉電安全保護，提供“寫平衡”支持等。缺點主要是當文件系統已滿或接近滿時，因爲垃圾收集的關係而使jffs2的運行速度大大放慢。
目前jffs3正在開發中。關於jffs系列文件系統的使用詳細文檔，可參考MTD補丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。
jffsx不適合用於NAND閃存主要是因爲NAND閃存的容量一般較大，這樣導致jffs爲維護日誌節點所佔用的內存空間迅速增大，另外，jffsx文件系統在掛載時需要掃描整個FLASH的內容，以找出所有的日誌節點，建立文件結構，對於大容量的NAND閃存會耗費大量時間。
2． yaffs
yaffs/yaffs2是專爲嵌入式系統使用NAND型閃存而設計的一種日誌型文件系統。與jffs2相比，它減少了一些功能(例如不支持數據壓縮)，所以速度更快，掛載時間很短，對內存的佔用較小。另外，它還是跨平臺的文件系統，除了Linux和eCos，還支持WinCE, pSOS和ThreadX等。
yaffs/yaffs2自帶NAND芯片的驅動，並且爲嵌入式系統提供了直接訪問文件系統的API，用戶可以不使用Linux中的MTD與VFS，直接對文件系統操作。當然，yaffs也可與MTD驅動程序配合使用。
yaffs與yaffs2的主要區別在於，前者僅支持小頁(512 Bytes) NAND閃存，後者則可支持大頁(2KB) NAND閃存。同時，yaffs2在內存空間佔用、垃圾回收速度、讀/寫速度等方面均有大幅提升。
3． Cramfs
Cramfs是Linux的創始人 Linus Torvalds參與開發的一種只讀的壓縮文件系統。它也基於MTD驅動程序。
在cramfs文件系統中，每一頁(4KB)被單獨壓縮，可以隨機頁訪問，其壓縮比高達2:1,爲嵌入式系統節省大量的Flash存儲空間，使系統可通過更低容量的FLASH存儲相同的文件，從而降低系統成本。
Cramfs文件系統以壓縮方式存儲，在運行時解壓縮，所以不支持應用程序以XIP方式運行，所有的應用程序要求被拷到RAM裏去運行，但這並不代表比Ramfs需求的RAM空間要大一點，因爲Cramfs是採用分頁壓縮的方式存放檔案，在讀取檔案時，不會一下子就耗用過多的內存空間，只針對目前實際讀取的部分分配內存，尚沒有讀取的部分不分配內存空間，當我們讀取的檔案不在內存時，Cramfs文件系統自動計算壓縮後的資料所存的位置，再即時解壓縮到RAM中。
另外，它的速度快，效率高，其只讀的特點有利於保護文件系統免受破壞，提高了系統的可靠性。
由於以上特性，Cramfs在嵌入式系統中應用廣泛。
但是它的只讀屬性同時又是它的一大缺陷，使得用戶無法對其內容對進擴充。
Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在別的文件系統裏，使用loopback 設備可以把它安裝別的文件系統裏。
4． Romfs
傳統型的Romfs文件系統是一種簡單的、緊湊的、只讀的文件系統，不支持動態擦寫保存，按順序存放數據，因而支持應用程序以XIP(eXecute In Place，片內運行)方式運行，在系統運行時，節省RAM空間。uClinux系統通常採用Romfs文件系統。
其他文件系統：fat/fat32也可用於實際嵌入式系統的擴展存儲器(例如PDA, Smartphone, 數碼相機等的SD卡)，這主要是爲了更好的與最流行的Windows桌面操作系統相兼容。ext2也可以作爲嵌入式Linux的文件系統，不過將它用於FLASH閃存會有諸多弊端。
>基於RAM的文件系統
1． Ramdisk
Ramdisk是將一部分固定大小的內存當作分區來使用。它並非一個實際的文件系統，而是一種將實際的文件系統裝入內存的機制，並且可以作爲根文件系統。將一些經常被訪問而又不會更改的文件(如只讀的根文件系統)通過Ramdisk放在內存中，可以明顯地提高系統的性能。
在Linux的啓動階段，initrd提供了一套機制，可以將內核映像和根文件系統一起載入內存。
2． ramfs/tmpfs
Ramfs是Linus Torvalds開發的一種基於內存的文件系統，工作於虛擬文件系統(VFS)層，不能格式化，可以創建多個，在創建時可以指定其最大能使用的內存大小。(實際上，VFS本質上可看成一種內存文件系統，它統一了文件在內核中的表示方式，並對磁盤文件系統進行緩衝。)
Ramfs/tmpfs文件系統把所有的文件都放在RAM中，所以讀/寫操作發生在RAM中，可以用ramfs/tmpfs來存儲一些臨時性或經常要修改的數據，例如/tmp和/var目錄，這樣既避免了對Flash存儲器的讀寫損耗，也提高了數據讀寫速度。
Ramfs/tmpfs相對於傳統的Ramdisk的不同之處主要在於：不能格式化，文件系統大小可隨所含文件內容大小變化。
Tmpfs的一個缺點是當系統重新引導時會丟失所有數據。
3． 網絡文件系統NFS (Network File System)
NFS是由Sun開發並發展起來的一項在不同機器、不同操作系統之間通過網絡共享文件的技術。在嵌入式Linux系統的開發調試階段，可以利用該技術在主機上建立基於NFS的根文件系統，掛載到嵌入式設備，可以很方便地修改根文件系統的內容。
以上討論的都是基於存儲設備的文件系統(memory-based file system)，它們都可用作Linux的根文件系統。實際上，Linux還支持邏輯的或僞文件系統(logical or pseudo file system)，例如procfs(proc文件系統)，用於獲取系統信息，以及devfs(設備文件系統)和sysfs，用於維護設備文件。
開發環境
操作系統：Ubuntu 10.4（linux kernel-v2.6.31）
移植Linux內核版本：2.6.30
交叉編譯工具：arm-linux-gcc 4.3.2
文件系統製作工具：Busybox-1.16.1
下載Busybox-1.16.1
Busybox-1.16.1的下載地址：
配置Busybox
1． 創建制作文件系統的根目錄
在提示符後輸入：
/opt# mkdir rootfs
2． 解壓busybox-1.16.1
進入存放busybox-1.16.1壓縮包文件的目錄，在提示符後輸入：
/opt# tar jxvf busybox-1.16.1.tar.ba2
3． 進入busybox-1.16.1根目錄，修改Makefile，修改ARCH 和CROSS_COMPILE兩變量的值
ARCH ?= arm
CROSS_COMPILE ?= arm-linux-
4． 通過busybox的配置菜單配置製作的文件系統
在提示符後輸入：
/opt/ busybox-1.16.1# make menuconfig
系統將彈出配置菜單，通過菜單選擇需要的選項，如圖1所示：
圖 1
以下選項必須選擇：
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 (該項輸入編譯安裝路徑，在此輸入rootfs文件路徑)
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
若出現如圖2所示的錯誤：
圖 2
請安裝有關編譯程序。安裝make ,gcc, make-kpkg,運行menuconfig等等和編譯內核相關的工具。
有關命令如下：
/opt# sudo apt-get install build-essential kernel-package libncurses5- dev
若安裝不了，請檢查/etc/apt/sources.list 文件。
編譯Busybox
在提示符後輸入：
/opt/ busybox-1.16.1# make install
在rootfs文件下會多了bin、sbin兩個文件夾和一個linuxrc文件，如圖3所示：
圖 3
1. 創建文件系統其它目錄
進入rootfs目錄，在提示符後輸入：
/opt/ rootfs# mkdir boot dev etc home lib mnt proc root sys tmp var usr
建立其它基本的目錄，如圖4所示：
圖 4
2. 建立及複製文件系統所需的文件
1. 在/rootfs/dev/目錄下建立console和null節點文件 (要root身份)
若缺少這兩個文件，在掛載文件系統時將會有報錯信息，如圖5所示：
圖 5
進入/rootfs/dev/目錄，在提示符後輸入：
/opt/rootfs/dev# mknod -m 666 console c 5 1
/opt/rootfs/dev# mknod -m 666 null c 1 3
如圖6所示：
圖 6
2. 在/rootfs/etc/目錄下建立fstab和inittab文件
進入/rootfs/etc/目錄，創建fstab文件，其內容如下：
none /proc proc defaults 0 0
none /dev/pts devpts mode=0622 0 0
tmpfs /dev/shm tmpfs defaults 0 0
進入/rootfs/etc/目錄，創建inittab文件，其內容如下：
#[inittab]
::sysinit:/etc/init.d/rcS
::askfirst:-/bin/sh
::restart:/sbin/init
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdown:/bin/umount -a –r
::shutdown:/sbin/swapoff –a
最後在提示符下輸入：
/opt/rootfs/etc# chmod +x fstab inittab
3. 在/rootfs/etc/init.d/目錄下建立rcS文件
進入/rootfs/etc/目錄，創建init.d目錄，在該目錄下創建rcS文件，其內容如下：
#! /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
最後在提示符下輸入：
/opt/rootfs/etc/init.d# chmod +x rcS
4. 複製lib庫文件
/opt/rootfs# cp –rfv *.* /usr/local/arm/4.3.2/arm-none-linux-gnueabi/libc/armv4t/lib ./
若無動態lib庫文件，掛載文件系統時，將會出現如圖7所示的錯誤：
圖 7
當然，你也可以在配置busybox時，選擇如下選擇：
Busybox Setting----->
build option-->
[*] Build BusyBox as a static binary (no shared libs)
使用靜態庫，這樣就不必複製lib庫文件了。
至此，一個基本的文件系統製作完畢。如圖8所示：
圖 8
文件歷史記錄
版本 編制 日期 更改內容
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V1.0 抵岸科技 2010-7-4 首發