基于ARM技術(shù)的uClinux系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

根文件系統(tǒng)是構(gòu)建一個(gè) uCLinux 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 等等，本系統(tǒng)采用 CramFS 作為 uCLinux 嵌入式系統(tǒng)的只讀根文件系統(tǒng)。本文討論了 CramFS 文件系統(tǒng)的特點(diǎn)，并詳細(xì)的說明了 Nor Flash 上建立一個(gè) uClinux 的 Cramfs 根文件系統(tǒng)的一般步驟。

一、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 uClinux 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、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 uClinux 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)空間是嵌入式開發(fā)者必須考慮的，合適的文件系統(tǒng)格式是解決這一問題的關(guān)鍵所在。本文討論了只讀壓縮 CramFS 文件系統(tǒng)的特點(diǎn)，并詳細(xì)的說明了 Nor Flash 上建立一個(gè) uClinux 的 Cramfs 根文件系統(tǒng)的一般步驟。

二、開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)采用的是宿主機(jī)+目標(biāo)板的開發(fā)模式，宿主機(jī)為 PC+Cygwin1.5.1 ，目標(biāo)板為采用 203MHz 的 ARM920T 內(nèi)核的處理器 S3C2410x+uClinux， uClinux 版本為 2.4.18。在宿主機(jī)上將 uClinux 和應(yīng)用程序編譯后，下載到目標(biāo)板的 Nor Flash 中，啟動(dòng)運(yùn)行。使用的 SDRAM 是 2 片 16MB 的 HY57v561620，工作在 16bit 雙字節(jié)模式下；使用的 Flash 是 2 片 AMD AM29LV160DB，大小為 2M 字節(jié)，工作在 16bit 雙字節(jié)模式下。在開發(fā)的時(shí)候，將 Boot Loader 燒入 AM29LV160DB 的 1-5 扇區(qū)；將 Linux 內(nèi)核映象文件 zImage 燒入 6-17 扇區(qū)；將 CramFS 文件系統(tǒng)映象文件燒入 18-35 扇區(qū)。

三、 Cramfs 文件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

CramFS（Compressed Rom File System）是 Linux Torvalds 在 Transmeta 任職時(shí)，所參與開發(fā)的文件系統(tǒng)。它是針對(duì) Linux 內(nèi)核 2.4 之后的版本所設(shè)計(jì)的一種新型只讀文件系統(tǒng)，采用了 zlib 壓縮，壓縮比一般可以達(dá)到 1：2，但仍可以作到高效的隨機(jī)讀取，Linux 系統(tǒng)中，通常把不需要經(jīng)常修改的目錄壓縮存放，并在系統(tǒng)引導(dǎo)的時(shí)候再將壓縮文件解開。因?yàn)?Cramfs 不會(huì)影響系統(tǒng)的讀取文件的速度，而且是一個(gè)高度壓縮的文件系統(tǒng)。因此非常廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。

在嵌入式的環(huán)境之下，內(nèi)存和外存資源都需要節(jié)約使用。如果使用 RAMDISK 方式來(lái)使用文件系統(tǒng)，那么在系統(tǒng)運(yùn)行之后，首先要把 Flash 上的映像文件解壓縮到內(nèi)存中，構(gòu)造起 RAMDISK 環(huán)境，才可以開始運(yùn)行程序。但是它也有很致命的弱點(diǎn)。在正常情況下，同樣的代碼不僅在 Flash 中占據(jù)了空間（以壓縮后的形式存在），而且還在內(nèi)存中占用了更大的空間（以解壓縮之后的形式存在），這違背了嵌入式環(huán)境下盡量節(jié)省資源的要求。

使用 CramFS 文件系統(tǒng)就是一種解決這個(gè)問題的方式。CramFS 是一個(gè)壓縮格式的文件系統(tǒng)，它并不需要一次性地將文件系統(tǒng)中的所有內(nèi)容都解壓縮到內(nèi)存之中，而只是在系統(tǒng)需要訪問某個(gè)位置的數(shù)據(jù)的時(shí)候，馬上計(jì)算出該數(shù)據(jù)在 CramFS 中的位置，將它實(shí)時(shí)地解壓縮到內(nèi)存之中，然后通過對(duì)內(nèi)存的訪問來(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的內(nèi)存中數(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的實(shí)現(xiàn)過程，因此這種方式增強(qiáng)了透明度，對(duì)開發(fā)人員來(lái)說，既方便，又節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

一個(gè)完整的 cramfs 文件系統(tǒng)通常包含以下幾個(gè)目錄：

/linuxrc 啟動(dòng)腳本文件，由 Boot Loader 核心命令行確定 init=/linuxrc，加載 /etc 目錄為 ramfs，（cramfs 為只讀文件系統(tǒng)），拷貝 /mnt/etc 到 /etc，配置文件目錄重新加載根文件系統(tǒng)和 /etc 文件系統(tǒng)，執(zhí)行 init 進(jìn)程。

/bin 引導(dǎo)啟動(dòng)所需的命令或用戶可能用的命令。

/sbin 系統(tǒng)管理員服務(wù)程序，其中最重要的是供內(nèi)核初始化之后執(zhí)行的 /sbin/init 進(jìn)程，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由 init 解釋并運(yùn)行 /etc/inittab， inittab 將指導(dǎo) int 去調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)初始化程序 /etc/init.d/rcS。

/etc 特定機(jī)器的配置文件以及用戶數(shù)據(jù)存放目錄，其中的所有內(nèi)容是在內(nèi)核運(yùn)行后，由 linuxrc 從 /mnt/etc 拷貝得到的。

/lib 文件系統(tǒng)上的程序所需的動(dòng)態(tài)庫(kù)。

/dev 驅(qū)動(dòng)程序存放目錄，可以在這里存放自己編寫的驅(qū)動(dòng)程序。

/usr 用于存放用戶程序和配置文件的目錄，可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。目錄下的 /usr/etc/rc.local 執(zhí)行本地所需要的初始化，如安裝核心模塊，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行應(yīng)用程序，啟動(dòng)圖形界面等。/etc/modules.conf 在系統(tǒng)運(yùn)行期間自動(dòng)加載模塊。

/mnt 用于設(shè)備安裝的目錄。/mnt/etc/init.d/rcS 完成各個(gè)文件系統(tǒng)的 Mount，執(zhí)行 /usr/etc/rc.local；通過 rcS 可以調(diào)動(dòng) dhcp 程序配置網(wǎng)絡(luò)。rcS 執(zhí)行完以后，就會(huì)打開 Shell。

/proc 系統(tǒng)狀態(tài)文件目錄， 目錄中的文件可以用于訪問有關(guān)內(nèi)核的狀態(tài)、計(jì)算機(jī)的屬性、正在運(yùn)行的進(jìn)程的狀態(tài)等信息。盡管 /proc 中的文件是虛擬的，但它們?nèi)钥梢允褂萌魏挝募庉嬈骰蛳瘛甿ore’， ‘less’或 ‘cat’這樣的程序來(lái)查看。

四、 Cramfs 文件系統(tǒng)的移植過程

文件系統(tǒng)是緊跟 uCLinux 內(nèi)核放置，由內(nèi)核加載，主要存放用戶應(yīng)用程序和配置信息。CramFS 文件系統(tǒng)的基本組成：初始化程序、Shell 程序以及其他 Linux 常用工具、配置文件、鏈接庫(kù)、圖形界面程序和用戶應(yīng)用程序等。本節(jié)將介紹移植 CramFS 文件系統(tǒng)的具體操作方法。

4.1、在內(nèi)核中加入對(duì) CramFS 文件系統(tǒng)支持

想要在系統(tǒng)中提供 CramFS 的能力，我們必須要在編輯 uCliunx 內(nèi)核時(shí)把支持 CramFS 的選項(xiàng)加入。盡管 uCLinux 可以以模塊的形式加載各種類型的設(shè)備驅(qū)動(dòng)上，但我們選擇直接把設(shè)備驅(qū)動(dòng)及 CramFS 文件系統(tǒng)靜態(tài)地編譯進(jìn)內(nèi)核中。

在 Memory Technology Devices （MTD）選項(xiàng)中進(jìn)行配置：

Memory Technology device （MTD） support［Y/m/n/？］ Y 內(nèi)存技術(shù)設(shè)備支持

MTD partitioning support ［Y/m/n/？］ Y 支持 MTD 分區(qū)

Direct char device access to MTD devices［Y/m/n/？］ Y MTD 字符設(shè)備直接訪問

Caching block device access to MTD devices［Y/m/n/？］ Y MTD 塊設(shè)備緩沖訪問

在 File systems 選項(xiàng)中進(jìn)行配置：

Compressed ROM file system support ［Y/m/n/？］ Y ROM 文件系統(tǒng)的支持

完成上述修改并編譯后，完成 uCliunx 內(nèi)核對(duì) CramFS 文件系統(tǒng)的支持。

4.2、拷貝需要加入的其他文件和鏈接庫(kù)

（1）、Busybox 是 Debian GNU/Linux 的大名鼎鼎的 Bruce Perens 首先開發(fā)的。Busybox 編譯出一個(gè)單個(gè)的獨(dú)立執(zhí)行程序，就叫做 busybox。但是它可以根據(jù)配置，執(zhí)行 ash shell 的功能，以及幾十個(gè)各種小應(yīng)用程序的功能。這其中包括有一個(gè)迷你的 vi 編輯器，系統(tǒng)不可或缺的 /sbin/init 程序，以及其他諸如 ifconfig， halt， reboot， mkdir， mount， ln， ls， echo， cat 等等。而所有這一切功能卻只有區(qū)區(qū) 1M 左右的大小，Busybox 已經(jīng)成為構(gòu)建嵌入式 Linux 文件系統(tǒng)的必備軟件。

首先我們從官方網(wǎng)站（http://www.busybox.org/）上下載 BusyBox 的版本 1.0.0。

#tar xvfz busybox-1.00.tar.gz

#cd busybox-1.00

#make menuconfig

下面是需要編譯進(jìn) busybox 的功能選項(xiàng)，其他的可以根據(jù)需要自選。

Build Options

Build BusyBox as a static binary （no shared libs）

這個(gè)選項(xiàng)是一定要選擇的，這樣才能把 busybox 編譯成靜態(tài)鏈接的可執(zhí)行文件，運(yùn)行時(shí)才獨(dú)立于其他函數(shù)庫(kù)，否則必需要其他庫(kù)文件才能運(yùn)行，在單個(gè) linux 內(nèi)核不能使他正常工作。

Do you want to build BusyBox with a Cross Compiler

選擇你自己定義的交叉編譯環(huán)境。

installation Options

don’t use /usr

這個(gè)選項(xiàng)也一定要選，否則 make install 后 busybox 將安裝在原系統(tǒng)的 /usr 下，這將覆蓋系統(tǒng)原有的命令。選擇這個(gè)選項(xiàng)后，make install 后會(huì)在 busybox 目錄下生成一個(gè)叫 _install 的目錄，里面有 busybox 和指向他的鏈接。

其他選項(xiàng)都是一些 linux 基本命令選項(xiàng)，自己需要哪些命令就編譯進(jìn)去，一般用默認(rèn)的就可以了，配置好后退出并保存。編譯 BusyBox，如果能成功編譯 BusyBox，就將編譯好的 busybox 復(fù)制到 CramFS 文件系統(tǒng)的 /bin 目錄下，然后創(chuàng)建常用命令的建立快捷方式。建立快捷方式很簡(jiǎn)單，只要建一個(gè)符號(hào)鏈接，比方 ln -s /bin/busybox /bin/ls，那么，執(zhí)行 /bin/ls 的時(shí)候，busybox 就會(huì)執(zhí)行 ls 的功能，也會(huì)按照 ls 的方式處理命令行參數(shù)。

（2）、拷貝一些管理員控制程序到 /sbin 目錄下，最重要的就是要包含一個(gè) init 命令，可以使用 busybox 提供的系統(tǒng)工具。比如 ln -s /bin/busybox /sbin/init，這樣我們就有了系統(tǒng)運(yùn)行不可或缺的 /sbin/init 程序了。

（3）、拷貝應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)所需要的庫(kù)到 /lib，庫(kù)文件可以從 PC 機(jī)上的交叉編譯工具安裝目錄下拷貝，如 libc-2.2.2.so、libcryt-2.2.2.so、libm-2.2.2.so、libutil-2.2.2.so 等，為部分相應(yīng)庫(kù)建立快捷方式，提供一些應(yīng)用程序按快捷方式名稱調(diào)用。值得注意的是 C 庫(kù)要采用 C 庫(kù)的版本 glibc， glibc 位于 /lib/libc.so.6。

4.3 、利用 mkcramfs 工具生成 cramfs 壓縮文件系統(tǒng)

一般情況下都要把已經(jīng)規(guī)劃好的目錄結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成一個(gè)映象文件，創(chuàng)建 Cramfs 文件系統(tǒng)需要 mkcramfs 工具，mkcramfs 能把相應(yīng)的 Cramfs 目錄樹壓縮成為單一的映象文件，這個(gè)映象文件就是我們需要移植的文件系統(tǒng)。Mkcramfs 的命令格式為：

Mkcramfs ［-h］ ［--e edition］ ［-I file］ ［-n name］ DirName OutFile

#mkcramfs root cramfs.Img

用以上的命令就可以生成我們需要的 cramfs 文件系統(tǒng)映象文件，我們可以發(fā)現(xiàn)原本為 2.36Mbytes 大小的目錄內(nèi)容，被壓縮成一個(gè) 1.08Mbytes 的 CramFS 文件系統(tǒng)映象文件， 通過 vivi 或測(cè)試程序?qū)⑵鋵懭?Flash 中就可以驗(yàn)證是否移植成功。

五、小結(jié)

CramFS 是一個(gè)壓縮格式的文件系統(tǒng)，如果系統(tǒng)存儲(chǔ)資源比較緊張的話，采用 CramFS 作為嵌入式 Linux 系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。