基于嵌入式Cramfs 的根文件系統(tǒng)配置新方法

摘 要:根文件系統(tǒng)是構(gòu)建一個(gè)Linux 嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，目前嵌入式系統(tǒng)可以選 擇的根文件系統(tǒng)有：Romfs、Cramfs、Ramfs、Jffs2、Ext2 等，而目前廣泛使用的Cramfs 根文件系統(tǒng)是只讀型文件系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用程序往往需要對(duì)根文件系統(tǒng)進(jìn)行讀、寫(xiě) 操作的，因此，如果針對(duì)Cramfs 系統(tǒng)直接進(jìn)行寫(xiě)操作就會(huì)造成系統(tǒng)錯(cuò)誤。文中提出了配置 Cramfs 根文件系統(tǒng)的新方法，實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠使Cramfs 滿足應(yīng)用程序的讀、寫(xiě)要 求，并能夠保障系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也減小了根文件系統(tǒng)所占用的存儲(chǔ)空間。

1 引言

隨著電子產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，基于 ARM 技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)越來(lái)越多地在控制 類、消費(fèi)類、通信類等電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。從軟件角度上看，構(gòu)建基于ARM 技術(shù)的linux 系統(tǒng)要涉及到引導(dǎo)加載程序、Linux 內(nèi)核、文件系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序幾部分的設(shè)計(jì)。 文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中用來(lái)管理用戶文件的內(nèi)核軟件層。文件可能存在于磁盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)或 者是一些虛擬的文件。文件系統(tǒng)包括根文件系統(tǒng)和建立于內(nèi)存設(shè)備之上文件系統(tǒng)。根文件系 統(tǒng)是linux 系統(tǒng)的核心部分，包含系統(tǒng)使用的軟件和庫(kù)，以及所有用來(lái)為用戶提供支持架構(gòu) 和用戶使用的應(yīng)用軟件，并作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)結(jié)果的區(qū)域。由于嵌入式設(shè)備中Flash 資源很 緊張，如何有效地使用有限的存儲(chǔ)空間是嵌入式開(kāi)發(fā)者必須考慮的，合適的文件系統(tǒng)格式是 解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵所在。本文討論了只讀型壓縮Cramfs 根文件系統(tǒng)的特點(diǎn)，并詳細(xì)的說(shuō) 明了NAND FLASH 上建立一個(gè)可讀可寫(xiě)型嵌嵌入式Linux 的Cramfs 根文件系統(tǒng)的新方法。

2 Linux 根文件系統(tǒng)概述

2.1 Linux根文件系統(tǒng)

根文件系統(tǒng)不同于普通文件系統(tǒng)，它是在內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)掛載(mount)的第一個(gè)文件系統(tǒng)， 內(nèi)核代碼映像文件保存在根文件系統(tǒng)中，而系統(tǒng)引導(dǎo)啟動(dòng)程序會(huì)在根文件系統(tǒng)掛載之后把一 些基本的初始化腳本和服務(wù)程序等加載到內(nèi)存中。

Linux 根文件系統(tǒng)是樹(shù)型結(jié)構(gòu)組織[1,3]，它包含了內(nèi)核和系統(tǒng)管理所需要的各種文檔和程序等。一般來(lái)說(shuō)，根目錄“/”下頂層目錄都有一些比較固定命名和用途，下面列出一

個(gè)Linux 根文件系統(tǒng)中的比較常見(jiàn)的目錄結(jié)構(gòu)。

/bin：存放二進(jìn)制可執(zhí)行命令的目錄。

/dev：存放設(shè)備文件和目錄。

/etc：存放系統(tǒng)管理和配置文件和目錄。

/home：用戶主目錄，比如用戶user 的主目錄就是/home/user,可以用~user 來(lái)表示。

/lib：存放動(dòng)態(tài)鏈接共享庫(kù)的目錄。

/sbin：存放系統(tǒng)管理員使用的管理程序的目錄。

/tmp：公用的臨時(shí)文件存儲(chǔ)點(diǎn)。

/root：系統(tǒng)管理員的主目錄。

/mnt：用以臨時(shí)掛載其他的文件系統(tǒng)。

/proc：虛擬文件系統(tǒng)，可直接訪問(wèn)這個(gè)目錄來(lái)獲取系統(tǒng)信息。

/var：某些大文件溢出區(qū)。

/usr：存放應(yīng)用程序和文件。

對(duì)于嵌入式 Linux 系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于受系統(tǒng)資源的限制，一般沒(méi)有上述 那么復(fù)雜，僅保留一些常用的目錄即可。如/bin、/dev、/etc、/lib、/proc、/var、/tmp、/usr、 /mnt 等[2]。 由于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)冗余度小、系統(tǒng)緊湊，通常存儲(chǔ)容量有限，因此，必須選擇 一個(gè)合適的根文件系統(tǒng)以使系統(tǒng)運(yùn)行最佳。目前，嵌入式Linux 根文件系統(tǒng)主要的根文件系 統(tǒng)類型有：Romfs, JFFS2, RAMDISK, YAFFS/YAFFS2, Cramfs, Squashfs 等[1]。本文主要對(duì) Cramfs 根文件系統(tǒng)進(jìn)行討論。

2.2 Cramfs根文件系統(tǒng)及其在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題

Cramfs 是Linux 的創(chuàng)始人 Linus Torvalds 參與開(kāi)發(fā)的一種只讀的壓縮文件系統(tǒng)，它基于 MTD(Memory Technology Device,存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)備)驅(qū)動(dòng)程序。在cramfs 文件系統(tǒng)中，每一頁(yè) (4KB)被單獨(dú)壓縮，可以隨機(jī)頁(yè)訪問(wèn)，其壓縮比高達(dá)2:1,為嵌入式系統(tǒng)節(jié)省大量的Flash 存儲(chǔ) 空間，使系統(tǒng)可通過(guò)更低容量的FLASH 存儲(chǔ)相同的文件，從而降低系統(tǒng)成本。

Cramfs 并不 需要一次性地將文件系統(tǒng)中的所有內(nèi)容都解壓到內(nèi)存中，而只是在系統(tǒng)需要訪問(wèn)某個(gè)位置的 數(shù)據(jù)時(shí)，立即計(jì)算出該數(shù)據(jù)在Cramfs 中的位置，將其實(shí)時(shí)地解壓縮到內(nèi)存中，然后通過(guò)對(duì) 內(nèi)存的訪問(wèn)來(lái)獲取文件系統(tǒng)中需要讀取的數(shù)據(jù)。Cramfs 中的解壓縮以及解壓縮之后內(nèi)存中 的數(shù)據(jù)存放位置都是由Cramfs 文件系統(tǒng)本身進(jìn)行維護(hù)的，用戶并不需要了解具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程， 因此這種方式增強(qiáng)了透明度，對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，既方便又節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

由于 Cramfs 是只讀型文件系統(tǒng)，而大多嵌入式應(yīng)用程序需要在臨時(shí)目錄/tmp 進(jìn)行創(chuàng)建 臨時(shí)文件等寫(xiě)操作，如不對(duì)Cramfs 進(jìn)行配置，則應(yīng)用程序?qū)⒉荒苷＿\(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。 目前，解決些問(wèn)題的方法是復(fù)合文件系統(tǒng)法，即使用YAFFS/YAFFS2 等可寫(xiě)型文件系統(tǒng)與 Cramfs 復(fù)合而成的文件系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)，使Cramfs 根文件系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)掛 載YAFFS/YAFFS2 文件系統(tǒng)，同時(shí)將應(yīng)用程序存放在YAFFS/YAFFS2 文件系統(tǒng)中。這種方 法解決了應(yīng)用程序?qū)Ω募到y(tǒng)的寫(xiě)操作問(wèn)題，但由于在通常的根文件系統(tǒng)之外還增加了一 個(gè)額外的可寫(xiě)型文件系統(tǒng)，必然會(huì)增大整個(gè)根文件系統(tǒng)所占的存儲(chǔ)空間，造成嵌入式系統(tǒng)存 儲(chǔ)資源緊張。本文在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)Linux Cramfs 根文件系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)了一種通 過(guò)修改根文件系統(tǒng)啟動(dòng)腳本和配置文件來(lái)實(shí)現(xiàn)根文件系統(tǒng)的可讀、可寫(xiě)性的新方法，它不需 要新增額外的文件系統(tǒng)來(lái)支持應(yīng)用程序的讀、寫(xiě)要求，而是利用根文件系統(tǒng)本身的特性來(lái)構(gòu) 造一個(gè)局部可寫(xiě)的根文件系統(tǒng)。

3 嵌入式Linux 根文件系統(tǒng)的配置

3.1 Cramfs根文件系統(tǒng)配置文件的分析

Cramfs 根文件系統(tǒng)中的配置文件存放在/etc 目錄下，有22 個(gè)文件及文件夾，可分為以 下幾類：

引導(dǎo)和登錄/注銷類，包括/etc/issue、/etc/issue.net、/etc/rc.d/rc、/etc/rc.d/rc.local、 /etc/rc.d/rc.sysinit、/etc/rc.d/rc/rcX.d 等文件，它們主要記錄系統(tǒng)的啟動(dòng)信息及運(yùn)行級(jí)別等。

文件系統(tǒng)類，包括/etc/mtab、/etc/fstab、/etc/mtools.conf 文件等，它們記錄著系統(tǒng)文 件系統(tǒng)的安裝、卸載信息，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)可以被安裝的文件系統(tǒng)以及在這些文件系統(tǒng)上所定 義的操作。

系統(tǒng)管理類，包括/etc/group、/etc/nologin、/etc/passwd、/etc/rpmrc、/etc/securetty、 /etc/usertty、/etc/shadow、/etc/shells、/etc/motd 等文件，它們記錄著系統(tǒng)用戶和用戶組的登 錄信息、加密后的用戶帳號(hào)密碼信息、用戶組的權(quán)限信息等。