軟盤上的Linux系統(tǒng)方案

本文將介紹一種兩張軟盤上的Linux系統(tǒng)，它可以當作系統(tǒng)應急修復盤、路由器或防火墻等許多地方，通過對它的研究，也可以加深對嵌入式系統(tǒng)的理解。
　　
　　一.前言

　　嵌入式Linux是由一個幾百KB的Linux內核和一個根據需要制定的文件系統(tǒng)所構成了, 由于Linux是開放源代碼的操作系統(tǒng)，所以在嵌入式領域有著非常廣闊的前景，并已經廣泛應用在許多手機、PDA、MP3播放器等許多電子產品中。本文將介紹一種兩張軟盤上的Linux系統(tǒng)，它可以當作系統(tǒng)應急修復盤、路由器或防火墻等許多地方，通過對它的研究，也可以加深對嵌入式系統(tǒng)的理解。 
　　
　　二.Linux啟動過程

　　所有的PC機在加電之后，BIOS會尋找到啟動盤第一個扇區(qū)，并將其復制到RAM中來執(zhí)行它，對于兩種不同的啟動方式，這個扇區(qū)通常含有兩種不同的代碼：引導程序(比如Lilo或Grub等)的代碼，引導程序會幫助定位內核的位置。內核的代碼，這通常是從軟盤啟動時使用的引導的方式。對于前者，通常需要內核支持initrd。如果是后者，使用的Boot Loader就是arch/i386/boot/bootsect.S。當內核被編譯的時候，這段執(zhí)行代碼就被鏈接到內核image的最開始的地方。這樣很容易就能只要把內核復制到起始位置為第一個扇區(qū)的軟盤上就能得到可自啟動的軟盤。內核會初始化設備驅動和內部的數據結構，之后它會到一個特定的位置――Ramdisk Word來獲得根文件系統(tǒng)的位置。內核必須知道去那里尋找這個根文件系統(tǒng)，否則它將停機。 
　　
　　在使用軟盤啟動的方式時，內核可以把一個壓縮的文件系統(tǒng)釋放到RAM中，稱之為Ramdisk，這是一個內存區(qū)域，但內核會把它當作磁盤一樣使用。 
　　
　　本文中介紹的例子使用Grub做為引導程序，并使用initrd來輔助Linux的啟動。兩張軟盤分別命名為bootldr盤和rootfs盤，在bootldr盤中內容為grub、內核、initrd，rootfs盤中是壓縮過的根文件系統(tǒng)。系統(tǒng)啟動時bootldr盤的Grub定位并執(zhí)行內核，然后內核解開initrd，并執(zhí)行l(wèi)inuxrc文件，這個文件負責提示用戶更換rootfs盤并將其中內容解壓至內存中，然后執(zhí)行剛剛解壓的init繼續(xù)啟動過程。 
　　
　　為了方便理解這個例子，先介紹目錄結構如下： 
　　
　　/home/papaya
　　├─bootldr/
　　│　├─grub/
　　│　├─kernel/
　　│　│　├─images/
　　│　│　└─linux-2.4.21/
　　│　└─initrd/
　　│　　　├─mkinitrd.sh
　　│　　　├─local/
　　│　　　└─ramdisk/
　　├─rootfs/
　　│　├─mkrootfs.sh
　　│　├─ramdisk/
　　│　└─local/
　　└─lib/

　　三.定制Grub引導程序

　　插入一張軟盤，然后將其格式化，然后加載到/mnt/floppy 
　　
　　#mke2fs /dev/fd0
　　#mount -t ext2 /dev/fd0 /mnt/floppy -o loop
　　在其中創(chuàng)建/boot/grub目錄
　　#mkdir -p /mnt/floppy/boot/grub 
　　
　　將系統(tǒng)中/boot/grub下的device.map, stage1, stage2 復制到/mnt/floppy/boot/grub中，然后在/mnt/floppy/boot/grub目錄下創(chuàng)建grub.conf文件： 
　　
　　default=0
　　timeout=10
　　title Floppy Linux
　　kernel (fd0)/bzImage root=/dev/ram0 
　　initrd (fd0)/initrd.gz 
　　
　　然后創(chuàng)建一個鏈接 
　　
　　#ln -s grub.conf menu.lst 
　　
　　執(zhí)行 
　　
　　/sbin/grub --batch --device-map=/dev/null <　　device (fd0) /dev/fd0
　　root (fd0)
　　setup (fd0)
　　quit
　　EOF 
　　
　　這樣grub就被安裝到bootldr盤上了。 
[!--empirenews.page--]四.定制Linux內核

　　由于軟盤大小的限制，內核應盡可能只包含必要的一些支持，對于本文中的例子一定要選上initrd支持。比如如果做為系統(tǒng)修復盤的話，必要的支持包括：IDE,PCI,和需要的文件系統(tǒng)類型等等就可以了，而沒有必要網絡支持，當然，如果做為路由器或者防火墻的話，網絡支持是必要的，而其他的這可相應的刪除掉。 
　　
　　#make [xconfig | menuconfig | config]
　　#make bzImage 
　　
　　如果添加了模塊的支持，還需要 
　　
　　#make modules 
　　
　　之后就得到了內核鏡像bzImage。如果bzImage的大小超出了軟盤的限制，就需要重新再來配置一下。將編譯好的bzImage放到bootldr盤的根目錄下，如果把bzImage改了名字，要注意與grub.conf中的名字一致。 
　　
　　五.制定initrd

　　在initrd/local目錄下建立bin, dev, etc, lib, proc, sysroot, usr目錄。其中dev目錄下包括必要的設備文件，比如tty, ram, console等等， bin中必要的可執(zhí)行文件有bzip2, chroot, cp, cpio, dd, echo, mount, pivot_root, readkey, sh, test等。Busybox提供了其中大部分。 bzip2, dd, cpio用來解壓縮第二張軟盤上的內容，chroot, pivot_root用來轉換根目錄。 
　　
　　編輯initrd/local/linuxrc文件： 
　　
　　#!/bin/sh 
　　
　　把sysroot目錄mount到一塊內存上，并建立tmpfs文件系統(tǒng)。 
　　
　　echo "Mounting new root filsystem ..."
　　mount tmpfs /sysroot -t tmpfs
　　cd /sysroot 
　　
　　下面的readkey是一個很簡單的程序，當啟動過程執(zhí)行到這里的時候暫停，等待換入第二章軟盤，然后接受任意鍵輸入繼續(xù)執(zhí)行啟動過程。這個小程序讀者可以自己實現，要注意的是最好使用靜態(tài)鏈接。 
　　
　　echo " "
　　echo -en "Insert the second disk and press ANY key..."
　　readkey > /dev/null
　　echo " " 
　　
　　將第二章軟盤上的內容解壓到sysroot目錄(內存)中。 
　　
　　echo "Loading root-archive from floppy ..."
　　dd if=/dev/fd0 bs=1k | bzip2 -d | cpio -idv 
　　
　　下面將initrd中的文件copy到sysroot/bin目錄下，這樣可以把根文件系統(tǒng)中一部分內容放到initrd(第一張軟盤)中，因為軟盤容量有限，當第一張軟盤空間有剩余，而第二章軟盤空間緊張的時候這會非常有用。 
　　
　　echo "Copying:"
　　for file in bzip2 chroot cp cpio echo readkey; do
　　 echo -en " "; echo -n $file
　　 cp /bin/$file ./bin/$file
　　done 
　　
　　下面將/目錄設定為當前目錄，即sysroot，并執(zhí)行剛剛從rootfs盤中解壓出來的init。 
　　
　　echo " "
　　echo "Pivoting / ..."
　　pivot_root . mnt/initrd
　　
　　echo "Starting init process..."
　　exec chroot . /sbin/init /dev/console 2>&1
　　
　　echo -en"Something went wrong ..."
　　/bin/sh || /mnt/initrd/bin/sh 
　　
　　當initrd所有必須的文件都放到bootldr/initrd/local目錄下之后，就可以執(zhí)行bootldr/initrd/mkinitrd.sh來創(chuàng)建initrd鏡像文件。mkinitrd.sh的內容為： 
　　
　　#!/bin/sh
　　mount -t ext2 /dev/fd0 /mnt/floppy
　　rm -f /mnt/floppy/initrd.gz
　　rm -f initrd.gz 
　　
　　取4M大小的內存塊格式化為ext2格式，并將其mount到bootldr/initrd/ramdisk上。 
　　
　　dd if=/dev/zero of=/dev/ram9 bs=1k count=4096
　　mke2fs /dev/ram9
　　mount -t ext2 /dev/ram9 ramdisk/ 
　　
　　把local中的文件復制到ramdisk目錄中，也就是那塊內存中。 
　　
　　cp -R local/* ramdisk/
　　umount ramdisk 
　　
　　將內存中的內容壓縮為initrd.gz，并復制到bootldr盤中 
　　
　　dd if=/dev/ram9 bs=1k | gzip -v9 > initrd.gz
　　cp initrd.gz /mnt/floppy/
　　umount /mnt/floppy 
　　
　　這樣，bootldr盤就完成了。 
　　
　　六.定制根文件系統(tǒng)

　　一個根文件系統(tǒng)需要包含支持Linux系統(tǒng)運行的所有文件。通常包括： 
　　
　　基本的文件系統(tǒng)結構 
　　
　　基本的目錄： /dev, /proc, /bin, /sbin, /etc, /usr, /tmp等。 
　　
　　基本的工具： sh, ls, cp, cd, mv等。 
　　
　　基本的配置文件： rc, inittab, fstab等。 
　　
　　設備： /dev/hd*, /dev/tty*, /dev/fd0, /dev/ram*, /dev/console等. 
　　
　　基本的運行庫。 
　　
　　Busybox和Tinylogin是在嵌入式系統(tǒng)上常用的工具包，它們包含了上面提到的常用的工具和目錄結構等，而且經過重新改寫后所生成的代碼比普通的Linux系統(tǒng)上的工具要小的多。 
　　
　　編輯Busybox的Config.h文件，選擇自己需要的工具。修改Busybox和Tinylogin的Makefile文件，制定它們使用靜態(tài)鏈接方式(DOSTATIC=true)，這樣就不需要在生成的系統(tǒng)中添加運行庫了。將編譯好的Busybox和Tinylogin文件放到rootfs/local中。 
　　
　　在rootfs/local中在自己創(chuàng)建下面幾個目錄：dev/, tmp/, etc/, proc/ 
　　
　　可以將系統(tǒng)中/dev下的設備復制到這個目錄下，只需要復制必要的就可以了，例如： 
　　
　　#cp -dpR /dev/tty[0-9] /mnt/rootfs/dev
　　#cp -dpR /dev/ram* /mnt/rootfs/dev 
　　
　　但是要注意一定要包含必要的接各設備/dev/console, /dev/kmem, /dev/mem, /dev/tty, /dev/ram0, /dev/null等。 
　　
　　etc/目錄下包含了目標系統(tǒng)運行所必須的配置文件，它包括的內容依賴與目標系統(tǒng)所要運行的程序。最低限度，它包括下面幾個文件：inittab、rc、fstab、passwd、group、shadow、termcap等。做為init進程的參數，inittab可以非常簡單，僅需要包括下面幾行即可： 
　　
　　::sysinit:/etc/rc
　　::askfirst:/bin/login 
　　tty2::askfirst:/bin/login
　　tty3::askfirst:/bin/login
　　tty4::askfirst:/bin/login 
　　::ctrlaltdel:/sbin/reboot
　　::restart:/sbin/init
　　::shutdown:/bin/umount -a -r
　　::shutdown:/sbin/swapoff -a 
　　
　　其中sysinit指明系統(tǒng)初始化腳本rc。rc所包含內容也可以非常少： 
　　
　　#!/bin/sh
　　/bin/mount -av
　　/bin/umount /mnt/initrd
　　/bin/hostname papaya 
　　
　　fstab的內容為： 
　　
　　none /proc proc defaults 0 0
　　none /tmp tmpfs defaults 0 0 
　　
　　其他的配置文件可以從原來的系統(tǒng)中獲得，然后修剪掉不必要的內容即可。 
　　
　　現在在/mnt/rootfs中已經包含了運行一個最低限度Linux系統(tǒng)所必須的所有文件和工具，下面需要將它們壓縮成一個文件系統(tǒng)了。插入rootfs軟盤并執(zhí)行bootldr/rootfs/mkrootfs.sh 
　　
　　#!/bin/sh
　　rm -f rootfs.cpio.bz2
　　dd if=/dev/zero of=/dev/ram0 bs=1k count=4096
　　mke2fs /dev/ram0
　　mount -t ext2 /dev/ram0 ramdisk/
　　cp -R local/* ramdisk/
　　cd ramdisk/
　　find . -depth -print | cpio -o > ../rootfs.cpio
　　cd ..
　　bzip2 rootfs.cpio
　　umount ramdisk
　　dd if=rootfs.cpio.bz2 of=/dev/fd0 bs=1k 
　　
　　OK，rootfs盤也完成了，可以重啟機器驗證了。 
[!--empirenews.page--]七.其他方法

　　將內核與文件系統(tǒng)進行整合，如果不用Grub引導還有兩種選擇，不過根文件系統(tǒng)就不能象上面那樣打包再壓縮， 也不再使用initrd。把所有根文件系統(tǒng)文件放到一個目錄中(比如上面的rootfs/local)，然后執(zhí)行 
　　
　　dd if=/dev/zero of=/dev/ram0 bs=1k count=4096
　　mke2fs /dev/ram0
　　mount -t ext2 /dev/ram0 ramdisk/
　　cp -R local/* ramdisk/
　　umount ramdisk
　　dd if=/dev/ram0 bs=1k | gzip -v9 > rootfs.gz 
　　
　　1.將內核與文件系統(tǒng)放置在一張軟盤上 
　　
　　確定內核的大小和的大小之合沒有超出軟盤的限制。記住內核的大小，然后將內核寫到軟盤上： 
　　
　　#dd if=bzImage of=/dev/fd0 bs=1k
　　353＋1 records in
　　353＋1 records out 
　　
　　之后，設置根設備為軟盤本身，并且設置根以讀寫方式裝載 
　　
　　#rdev /dev/fd0 /dev/fd0
　　#rdev -R /dev/fd0 0 
　　
　　上面這個例子表示dd寫了353個完整記錄和一個部分記錄到軟盤上，因此內核占用了軟盤的前354個記錄塊。記住這個數字，然后設置內核的Ramdisk Word。Ramdisk Word可以通過rdev命令設置，它的內容為：

　　如果15位設置的話，內核在加載文件系統(tǒng)之前會進行提示，這在下面將內核與文件系統(tǒng)盤分開的情況時是必要的。" 
　　
　　對于上面的情況，需要在0-10位指出ramdisk的偏移，并將14位置1，所以得出的ramdisk word十進制表示為：355 + 2^14 = 355 + 16384 = 16739 
　　
　　#rdev -r /dev/fd0 16739 
　　
　　之后 
　　
　　#dd if=rootfs.gz of=/dev/fd0 bs=1k seek=354 
　　
　　這樣一張同時包含內核和文件系統(tǒng)的軟盤就成功了。 
　　
　　2.內核與文件系統(tǒng)分別占用一張軟盤 
　　
　　與上面一樣 
　　
　　#dd if=bzImage of=/dev/fd0 bs=1k
　　#rdev /dev/fd0 /dev/fd0
　　#rdev -R /dev/fd0 0
　　不同的是ramdisk word為 0 + 2^14 + 2^15 = 49152
　　#rdev -r /dev/fd0 49152
　　然后換零一張軟盤
　　#dd if=rootfs.gz of=/dev/fd0 bs=1k 
　　
　　內核、根文件系統(tǒng)、引導程序之間的整合方法有很多，他們各有各自的特點，有待讀者自己思考。 
　　
　　八.前景

　　按照本文方法所構造的Linux系統(tǒng)雖然還不完善，但通過逐步的改進，將能做出一個有價值的系統(tǒng)來。真正的Linux嵌入式系統(tǒng)根據不同的應用方向通常還包括圖形用戶界面或者是網絡瀏覽器等應用程序。值得慶幸的是很多OpenSource的項目提供了所需要的組件，結合這些優(yōu)秀的開源項目，就可以形成一套真正的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。