Linux根檔案系統的秘密

Linux是一種開源、可移植、可自訂的作業系統，它廣泛應用於各種領域，如伺服器、桌面、嵌入式裝置等。 Linux的核心是內核，它負責管理硬體資源和提供基本的服務。但是，核心並不是一個獨立的實體，它需要一個檔案系統來儲存和存取各種資料和程式。檔案系統是一種組織和管理檔案的方法，它定義了檔案的名稱、位置、屬性、權限等資訊。在Linux中，有許多不同類型的檔案系統，如ext4、xfs、btrfs等，它們各有特點和優勢。但是，在所有的檔案系統中，有一個特殊的檔案系統，它是Linux系統的基礎和核心，它就是根檔案系統（rootfs）。那麼，根檔案系統是什麼？它有什麼作用？它又是如何創建和管理的呢？本文將從以下幾個面向來解答：

#1.根檔案系統

#檔案系統是包含在一個磁碟（包括光碟、磁碟機、隨身碟及其它儲存裝置）或分割區的目錄結構；一個可套用的磁碟裝置可以包含一個或多個檔案系統；如果您想進入一個檔案系統，首先您要做的是掛載（mount）檔案系統；為了掛載（mount）檔案系統，您必須指定一個掛載點。

附註：對於我們應用開發來說，購買開發板的時候，廠商會提供好現成的根文件系統和BootLoader等，如果需要，我們可以改變其中的命令而無需從頭開始製作一個新的根文件系統。不過這兒的製作過程可以讓我們更深一點理解Linux的檔案系統。

2.主要的根檔案系統

#* Linux 中，rootfs 是不可或缺的。 PC 上主要實作有ramdisk 和直接掛載HD（Harddisk，硬碟）上的根檔案系統；嵌入式中一般不從HD 啟動，而是從Flash 啟動，最簡單的方法是將rootfs load 到RAM 的RAMDisk，稍微複雜的就是直接從Flash 讀取的Cramfs，更複雜的是在Flash 上分割區，並建置JFFS2 等檔案系統。

* RAMDisk 將製作好的 rootfs 壓縮後寫入 Flash，啟動的時候由 Bootloader load 到RAM，解壓縮，然後掛載到 /。這種方法操作簡單，但是在 RAM 中的檔案系統不是壓縮的，因此需要佔用許多嵌入式系統中稀有資源 RAM。

ramdisk 就是用記憶體空間來模擬出硬碟分割區,ramdisk通常使用磁碟檔案系統的壓縮存放在flash中,在系統初始化時,解壓縮到SDRAM並掛載根檔案系統, 在linux系統中,ramdisk有二種,一種就是可以格式化並載入,在linux核心2.0/2.2就已經支援,其不足之處是大小固定;另一種是2.4的核心才支援,透過,ramfs來實現,他不能被格式化,但用起來方便,其大小隨所需的空間增加或減少,是目前linux常用的ramdisk技術。

* initrd 是RAMDisk 的格式，kernel 2.4 之前都是image-initrd，Kernel 2.5 引入了cpio-initrd，大大簡化了Linux 的啟動過程，附合Linux 的基本哲學：Keep it simple, stupid(KISS) . 不過cpio-initrd 作為新的格式，還沒有經過廣泛測試，嵌入式Linux 中主要採用的還是image-initrd。

* Cramfs 是 Linus 寫的很簡單的檔案系統，有很好的壓縮綠，也可以直接從 Flash 上運行，不須 load 到 RAM 中，因此節約了 RAM。但 Cramfs 是唯讀的，對於需要執行時修改的目錄（如： /etc, /var, /tmp）多有不便，因此，一般將這些目錄做成ramfs 等可寫的 fs。

* SquashFS 是 Cramfs 的增強。突破了 Cramfs 的一些限制，在 Flash 和 RAM 的使用量方面也具有優勢。不過，根據開發者介紹，在效能上可能不如 Cramfs。這也是一種新方法，在嵌入式系統採用之前，需要經過更多的測試。

3.Ramdisk製作

#RAMDisk的製作方法如下：
(1) 在PC機的Linux作業系統環境下，產生可以虛擬成區塊裝置的文件，假設文件名稱為init.img。

$ dd if=/dev/zero of=init.img bs=4096 count=1024

其中bs*count為區塊裝置大小（單位：位元組），產生init.img檔案以後，還必須對該檔案進行格式化。

$ mke2fs –m0 –F init.img

(2) 新建一個資料夾ram，並將init.img掛接到ram目錄。

$ mkdir ram
$ mount init.img ram/ -o loop

这时，读写ram目录，等效于读写init.img文件。用户可以将根文系统所需的文件写入到ram目录中。往ram目录写完文件以后，还需要使用umount ram命令卸载init.img，才能将已写入的文件保存到init.img中。

（3）添加完毕，需要umount ram

4.Cramfs制作

CramFS(Compressed Rom File System)是Linux Torvalds在Transmeta任职时，所参与开发的文件系统。它是针对Linux内核2.4之后的版本所设计的一种新型只读文件系统，采用了zlib 压缩，压缩比一般可以达到1：2，但仍可以作到高效的随机读取，Linux系统中，通常把不需要经常修改的目录压缩存放，并在系统引导的时候再将压缩文件 解开。因为Cramfs不会影响系统的读取文件的速度，而且是一个高度压缩的文件系统。因此非常广泛应用于嵌入式系统中。

在嵌入式的 环境之下，内存和外存资源都需要节约使用。如果使用RAMDISK方式来使用文件系统，那么在系统运行之后，首先要把Flash上的映像文件解压缩到内存 中，构造起RAMDISK环境，才可以开始运行程序。但是它也有很致命的弱点。在正常情况下，同样的代码不仅在Flash中占据了空间(以压缩后的形式存 在)，而且还在内存中占用了更大的空间(以解压缩之后的形式存在)，这违背了嵌入式环境下尽量节省资源的要求。

使用CramFS文件 系统就是一种解决这个问题的方式。CramFS是一个压缩格式的文件系统，它并不需要一次性地将文件系统中的所有内容都解压缩到内存之中，而只是在系统需 要访问某个位置的数据的时候，马上计算出该数据在CramFS中的位置，将它实时地解压缩到内存之中，然后通过对内存的访问来获取文件系统中需要读取的数 据。CramFS中的解压缩以及解压缩之后的内存中数据存放位置都是由CramFS文件系统本身进行维护的，用户并不需要了解具体的实现过程，因此这种方 式增强了透明度，对开发人员来说，既方便，又节省了存储空间。

但是Cramfs也有其缺点：延迟、小于16MB、不支持写，只支持PAGE_CREATE_SIZE=4096的内核。

制作的命令：（root文件夹中存放着文件系统）

#mkcramfs root cramfs.img

5.其他根文件系统的制作

制作yaffs文件系统： mkyaffsimage myroots myroots.img
制作squashfs： mksquashfs $(FS_DIR) $(FS_NAME) -noappend -be -lzma -no-fragments –noI

6.BusyBox编译制作

建立目标板空根目录文件夹及根目录下的文件夹：

[root@190 friendly-arm]# mkdir myroots
[root@190 friendly-arm]#pwd
/friendly-arm/myroots
[root@190 friendly-arm]#cd myroots
[root@190 myroots]# mkdir bin sbin usr lib dev mnt opt root etc home proc tmp var
[root@190 myroots]# mkdir etc/init.d

进入etc/init.d目录下，建立一个脚本文件，并命名为rcS，用gedit打开，添加如下内容：

#! /bin/sh
PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/usr/local/bin:
runlevel=S
prevlevel=N
umask 022
export PATH runlevel prevlevel
#
# Trap CTRL-C &c only in this shell so we can interrupt subprocesses.
#
trap ":" INT QUIT TSTP

创建 dev 中的节点
如果使用“linux 2.6.xx”的内核，应该事先创建节点“console”、“null”。否则在系统启动时内容会提示以下错误：

Warning: unable to open an initial console.
Kernel panic - not syncing: Attempted to kill init!

创建节点的命令如下：

# mknod dev/console c 5 1
# mknod dev/null c 1 3 移植Busybox：

进入到压缩文件存放的目录下，并解压。然后进入解压后的busybox目录文件夹，随后配置busybox 。

[root@190 busybox-1.2.0]# make menuconfig

由于每个版本的配置选项组织有所不同。不管怎样，我们注意以下选项就行了：

1) Support for devfs
2) Build BusyBox as a static binary ( no shared libs ) //将busybox编译成静态链接
3) Do you want to build busybox with a Cross Compile?
(/usr/local/arm/3.3.2/bin/arm-linux-) Cross Compile prefix //指定交叉编译器
4) init
5) Support reading an inittab file //支持init读取/etc/inittab 配置文件
6) (X) ash选中ash //建立的rcS脚本才能执行
7）ash
8）cp cat ls mkdir mv //可执行命令工具的选择，自己看着办吧，需要用到的就选上
9) mount
10) umount
11) Support loopback mounts
12) Support for the old /etc/mtab file
13) insmod
14) Support version 2.2.x to 2.4.x Linux kernels
15) Support version 2.6.x Linux kernels
16) vi
17)don’t use user

以上内容必须选上，其他可按默认值；如果要支持其他功能，如网络支持等，可按需选择，英语不是很烂的话，这些都没有问题。
配置好之后，保存退出。然后对其编译和安装到刚才建立的根文件系统目录下：

[root@190 busybox-1.2.0] make TARGET_ARCH=arm CROSS=arm-linux- \ PREFIX=/friendly-arm/myroots/ all install

安装好之后，将相应的二进制文件拷贝到根文件系统相应的目录下：
拷贝一些管理员控制程序到/sbin目录下，最重要的就是要包含一个init命令；
拷贝应用程序运行时所需要的库到/lib，库文件可以从PC机上的交叉编译工具安装目录下拷贝，如libc-2.2.2.so、libcryt-2.2.2.so、libm-2.2.2.so、libutil-2.2.2.so等，为部分相应库建立快捷方式，提供一些应用程序按快 捷方式名称调用。值得注意的是C库要采用C库的版本glibc, glibc位于/lib/libc.so.6

透過上述分析，我們可以看到，根檔案系統是Linux系統的重要組成部分，它包含了Linux系統啟動和運作所需的關鍵檔案和目錄。根檔案系統通常被掛載在/（根）目錄下，並且可以包含其他檔案系統的掛載點。根檔案系統可以使用不同類型的檔案系統格式，並且可以透過一些工具來建立和管理。例如，我們可以使用mkfs指令來格式化一個分割區或裝置為根檔案系統，我們可以使用mount指令來掛載或卸載一個根檔案系統，我們可以使用df指令來查看一個根檔案系統的使用情況等。總之，根檔案系統是Linux系統的秘密所在，它為Linux系統提供了穩定且靈活的基礎。

以上是Linux根檔案系統的秘密的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！