嵌入式文件系统

嵌入式文件系统

文件系统简介

在计算机系统中， 需要用到大量的程序和数据， 它们大部分以文件的形式存放在外部存储当中， 根据需要可随时调入内存使用

如果用户直接管理外存文件所面临的问题：

  • 必须熟悉外存的物理特性
  • 了解各种存储文件的属性
  • 记录文件在外存上的存储位置
  • 在多用户环境下， 必须能保证数据的安全性和一致性

为了解决文件的管理问题， 在操作系统中出现了—文件系统

文件系统的功能：

  • 负责存储器中文件的组织和分配
  • 提高对存储器资源的利用效率
  • 将文件的存取、 共享和保护等功能提供给操作系统和用户
  • 简化用户对文件的各项操作
  • 保证在多用户环境下文件的安全性和一致性

文件系统是操作系统的重要组成部分， 是实现文件多元化管理的必要条件

文件系统的一般定义是： 负责管理和存储文件信息的软件组件

操作系统对磁盘的管理

  • 无论是Windows还是Linux都将磁盘划分成指定大小的分区进行管理
  • 在特定分区安装操作系统、 系统启动所必需的文件， 其它磁盘空间作为普通分区提供给用户使用
  • 所有分区都可以根据用户需要， 安装不同的文件系统对文件进行管理
  • 一般操作系统都会支持多种常用文件系统格式 , 比如： FAT、 NTFS、 EXT4、 YAFFS2等

Linux文件系统分类

Linux支持多种文件系统， 包括minix、 ext、 vfat、 ntfs、iso9660、 jffs、 yaffs和nfs等

系统启动之后， 便可以自动或手动挂载需要用到的文件系统

一般不同的存储设备会采用不同的文件系统类型，以便更好的组织和管理存储设备上的文件与目录

常用的嵌入式文件系统 :

jffs文件系统 :

  • 最早是由瑞典Axis Communications公司为嵌入式系统开发的日志型文件系统
  • 目前jffs已经大量被jffs2取代
  • jffs2是RedHat公司基于jffs开发的闪存文件系统
  • jffs2最初是针对RedHat公司eCos相关产品开发的嵌入式文件系统，所以jffs2也可以用在Linux、 μCLinux等嵌入式OS中
  • jffs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、 日志型文件系统基于哈希表， 并提供了崩溃/掉电安全保护， 提供“ 写平衡” 支持等。
    • 缺点： 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。

ext4文件系统 :

  • ext4是主要为Linux使用mmc型存储器而设计的一种日志型文件系统
  • ext4引入了盘区概念， 每个盘区为一组连续的数据块， 相比于ext3提高了访问效率。
  • ext4支持在线碎片整理， 提高使用效率

ext4与ext3的主要区别在于：

  • ext3数据块分配每次只能分配1个4k块， ext4支持单次分配多个数据块， 降低IO访问开销。
  • ext4存储量最大支持1EB， 单文件最大支持到16TB， 远远大于ext3， 这对某些特殊用户来说至关重要

cramfs文件系统 :

  • 由Linux的创始人Linus Torvalds参与开发的一种只读的压缩文件系统
  • 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， 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
  • cramfs经常跟yaffs文件系统配合使用， 以达到修改必须内容的目的

nfs文件系统 :

  • nfs是由Sun公司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。
  • 最开始即采用此种方式来开发和调试根文件系统。

使用nfs作为根文件系统的步骤：

查看u-boot中启动命令行参数：

printenv
bootargs=root=/dev/mmcblk0p8 rw rootfstype=ext4 init=/linuxrc lcd=wy070ml
tp=gslx680

设置u-boot从nfs启动根文件系统:

setenv bootargs noinitrd root=/dev/nfs
nfsroot=/home/edu/rootfs/,rsize=1024,wsize=1024
# 代表从10.0.13.223机子上/home/edu/rootfs/启动根文件系统
ip=10.0.13.123:10.0.13.223:10.0.13.254:255.255.255.0::eth0:off
init=/linuxrc console=ttySAC1,115200

虚拟文件系统 :

  • 为了对各类文件系统进行统一管理， Linux引入了虚拟文件系统— — VFS(Virtual File System)， 为各类文件系统提供统一的操作界面和应用编程接口
  • VFS并不是一种实际的文件系统， 它是物理文件系统与服务之间的一个接口层
  • VFS只存在于内存中， 不存在于任何外存空间
  • VFS在系统启动时建立， 在系统关闭时消亡

虚拟文件系统的优势

通过虚拟文件系统， 我们可以利用标准的Linux系统调用，对不同介质上的不同文件系统进行读写操作， 例如：

可以让open()、 read()、 write()等系统调用不用关心底层的存储介质和文件系统类型就可以工作的粘合层

image-20200701181848271

Linux根文件系统目录结构

根文件系统特点：

  • Linux系统启动后， 首先由内核挂载的文件系统称为根文件系统， 其中包括系统启动所必需的文件
  • 在根文件系统的最顶层目录中， 每个目录都有其具体的目的和用途
  • 根文件系统的类型没有限制， 可以是Linux系统所支持的任意稳定可靠的文件系统类型
  • 在Linux下所有磁盘被挂载后才能使用， 这个挂载的目录被称为挂载点或安装点， 然后通过此目录来访问这个分区上的文件或其它目录

inux目录结构 :

  • Linux和unix都是一个以“ /”作为根的树状文件结构
  • “ /”因此被称为根目录， 其它所有的文件和目录都置于根目录之下
image-20200701190657159

早期的unix系统中， 各个厂家都定义了自己的unix文件系统结构， 且互不兼容， 比较混乱

1994年推出FHS(Filesystem Hierarchy Standard)， 对根文件系统目录做了统一规范， 形成了FHS标准(文件系统目录标准)

Linux根文件系统标准目录如下 :

​ FHS定义的根文件系统顶层目录

目录名内容
bin提供基本的用户命令，如ls、cp等
boot该目录下存放的一般是Linux的启动文件和内核
dev设备文件或其他的特殊文件，如mmcblk0p2、fb0等
etc系统配置文件，包括启动文件
home多个用户的主目录
lib存放应用程序所需的基本库，运行时需要共享库，比如C、C++等标准库，GTK、QT等应用程序库
mnt用于临时挂载的文件系统，比如挂载U盘、SD卡等
opt某些第三方软件商软件的安装地点，某些自定义的软件包会安装到这里
proc操作系统运行时，进程信息及内核信息（比如模块加载数、中断申请与使用状态、进程运行状况等） 存放在这里，一般挂载proc文件系统，用来表示系统的运行状态，只存在内存当中
root根用户的主目录,与此对应，普通用户的目录是/home下的某个子目录
sbin主要放置系统管理和网络管理的必备程序，如ifconfig、rmmod等，通常需要root权限才能完全使用
sys与/proc相似，挂载sysfs文件系统
tmp一些需要生成临时文件的程序需要此目录，通常为空，且此目录必须可写，一般挂载ramfs文件系统
usr一般存放由用户自由添加的程序或开源库以及各种不常用的命令等，是共享和只读的
var一些变化的实例和工具等，存放可变的数据，如一些系统日志文件等

总结：

制作根文件系统的过程， 其实就是构造以上目录及系统启动所必需文件的过程

构建嵌入式根文件系统的工作， 也就从构建这几个文件夹开始

Linux系统启动流程

Bootloader引导内核的过程

其中一步是Bootloader将系统控制权交给内核之前， 会给内核传递参数， 具体内容如下

# root： 指定根文件系统在磁盘分区中的位置
# init： 指定Linux内核启动完毕后调用的第一个用户态程序
# console： 指定内核启动后首选的控制台设备(非必须)
root=/dev/mmcblk0p8 rw rootfstype=ext4 init=/linuxrc lcd=wy070ml tp=gslx680

linuxrc程序工作内容 :

linuxrc是由内核启动的第一个， 也是惟一的一个用户进程， PID为1

linuxrc通常和/bin/init一样， 除非用户重新实现它

linuxrc执行流程：

  • 设置SIGSEGV、 SIGILL、 SIGFPE、 SIGBUS信号处理函数
  • 初始化控制台， 设置环境变量（ HOME、 SHELL、 USER等）
  • 解析/etc/inittab配置文件， 否则将运行默认配置
  • 监听特定子进程状态

linuxrc是后续进程的发起者

/etc/inittab配置文件的作用 :

/etc/inittab决定了接下来将要启动的脚本、 shell和应用程序

/etc/inittab配置文件结构 :

  • 每一行都指定一个子进程， 并确定了进程运行方式
  • 用冒号来分隔各字段的属性

具体格式：

# id： 表示这个子进程使用的控制台， 如果省略， 则使用与linuxrc进程一样的控制台
# runlevels: 该字段主要用于PC机， 对于嵌入式系统暂时没有处理， 可以省略
# action: 表示linuxrc进程将如何控制这个子进程， 具体取值见后面的表格
# process: 表示要启动的可执行程序或脚本， 如果process字段前面有“ -”字符， 说明这个应用支持“ 交互”
<id> : <runlevels> : <action> : <process>

# etc/inittab
::sysinit:/etc/init.d/rcS
::respawn:-/bin/sh
#tty0::askfirst:-/bin/sh
::restart:/home/a.sh
::ctrlaltdel:/bin/umount -a -r

action的可选值

名称执行条件说明
sysinit系统启动后最先执行指定初始化脚本路径， 只执行一次， init进程等待它结束才继续执行其它动作
wait执行完sysinit进程后只执行一次， init进程等待它结束才继续执行其它动作
once执行完wait进程后只执行一次， init进程不等待它结束
respawn启动完once进程后init进程监测发现子进程退出时， 重新启动它
askfirst启动完respawn进程后与respawn类似， 不过init进程先输出“ Please press Enter to activate this console” ， 等 用户输入回车后才启动子进程。
shutdown当系统关机时即重启、 关闭系统时执行的程序
restartinit进程接收到 SIGHUP信号时init进程重启时执行的程序， 通常是init程序本身。 先重新读取、 解析/etc/inittab文件， 再执行restart程序
ctrlaltdel按下Ctrl+Alt+Del按Ctrl+Alt+Del组合键时执行的程序

linuxrc解析inittab配置文件过程中， 被指定的用户程序解析执行顺序如下：

sysinit -> wait -> once -> respawn -> askfirst -> ctrlaltdel -> shutdown -> restart

程序执行顺序与配置文件中的书写顺序无关

执行完所有开机需要加载的进程或脚本后， 开始监听子进程的运行状态

如果respawn、 askfirst子进程退出， 则重启该进程

构建自己的根文件系统

从构建/bin、 /sbin、 /usr、 linuxrc开始

  • 从网上下载所有常用命令的源码
  • 采用交叉编译器， 重新编译好命令下载到开发板/bin、/sbin等目录下

问题：

  • 命令体积和数量都会很大， 不适合嵌入式系统对资源的有效利用

嵌入式领域将采取专用工具来制作常用命令和相关应用 ----- Busybox http://www.busybox.net

Busybox特点：

  • 提供完善的Linux命令工具集
  • 提供图形化的配置环境和默认配置选项
  • 所有功能均整合到busybox程序中， 实现不同命令的代码共享， 占用磁盘空间极小
  • 所有命令均通过软链接到/bin/busybox实现
  • 帮助用户实现了1号用户进程(linuxrc)

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