技巧：實(shí)現(xiàn)嵌入式Linux系統(tǒng)的新方法
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引言
在Linux操作系統(tǒng)中，有一項(xiàng)特殊的功能——初始化內(nèi)存盤INITRD（INITial Ram Disk）技術(shù)，而且內(nèi)核支持壓縮的文件系統(tǒng)映像。有了這兩項(xiàng)功能，我們可以讓Linux系統(tǒng)從小的初始化內(nèi)存盤啟動(dòng)，并把系統(tǒng)內(nèi)存的一部分作為根文件系統(tǒng)掛載，而且不使用交換分區(qū)（如果不運(yùn)行X Windows這是完全可以的），即把Linux系統(tǒng)完全嵌入到內(nèi)存中,而不依賴于任何其他硬盤?，F(xiàn)在PC機(jī)內(nèi)存至少128M，而根文件系統(tǒng)所用的只有30MB，因此不僅不會(huì)使整機(jī)性能下降，反而有很大的提高。
由于系統(tǒng)不工作在硬盤上，所以系統(tǒng)消除了由于機(jī)械驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)致的問題；因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行于內(nèi)存中，根文件系統(tǒng)和操作完全在CPU/RAM環(huán)境下，系統(tǒng)性能在速度和可靠性方面非常好；它不會(huì)由于非法關(guān)機(jī)而破壞文件系統(tǒng)，因?yàn)槲覀兠恳淮螁?dòng)是把壓縮的文件系統(tǒng)解壓至內(nèi)存盤中作為根文件系統(tǒng)掛載。
1 硬件要求
對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)，硬件不需要特別的設(shè)計(jì)，只是通過普通的PC機(jī)上的組件實(shí)現(xiàn)。值得一提是系統(tǒng)的內(nèi)存的大小，它至少應(yīng)該有64M。因?yàn)?0M作為Ramdisk使用，剩下30多兆作為系統(tǒng)運(yùn)行，才能保證系統(tǒng)的正常工作，我們現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)內(nèi)存一般為128M，這個(gè)條件都能滿足。唯一特別的是一個(gè)flash盤 ，它相當(dāng)于一個(gè)IDE接口的硬盤，大小為20M，主要用它作為啟動(dòng)LILO和放置根文件系統(tǒng)壓縮包。
2 Ramdisk的使用
Ramdisk就是將內(nèi)存的一部分分配為一個(gè)分區(qū)并作為硬盤來使用。對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不斷使用的程序，將它們放在Ramdisk中將加快計(jì)算機(jī)的操作，如大數(shù)據(jù)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、無盤工作站等。為了能夠使用Ramdisk，我們?cè)诰幾g內(nèi)核時(shí)須將block device中的Ramdisk支持選上，它下面還有兩個(gè)選項(xiàng)，一個(gè)是設(shè)定Ramdisk的大小，默認(rèn)是4096k；另一個(gè)是initrd的支持。它既可以直接編譯進(jìn)內(nèi)核，也可以編譯成模塊，在需要的時(shí)候加載。我們由于在啟動(dòng)時(shí)就用它，所以必須將它直接編譯進(jìn)內(nèi)核。
如果對(duì)Ramdisk的支持已經(jīng)編譯進(jìn)內(nèi)核，我們就可以使用它了。首先在/mnt目錄下創(chuàng)建目錄ram，運(yùn)行mkdir /mnt/ram；然后對(duì)/dev/ram0創(chuàng)建文件系統(tǒng)，運(yùn)行mke2fs /dev/ram；最后掛載上/dev/ram，運(yùn)行mount /dev/ram /mnt/ram，就可以象對(duì)普通硬盤一樣對(duì)它進(jìn)行操作了。值得注意的是，在創(chuàng)建文件系統(tǒng)的時(shí)候，在屏幕上輸出1024 inodes ，4096 blocks，即ramdisk大小為4M＝4096個(gè)塊，但是我們掛載上之后，用命令df –k /dev/ram查看時(shí)，顯示出來ramdisk大小只有3963K，這是由于文件系統(tǒng)本身占用了一些空間。
我們能根據(jù)需要改變r(jià)amdisk地大小。如我們要把默認(rèn)的4M增大到10M，當(dāng)ramdisk是直接編譯進(jìn)內(nèi)核的情況下，可在LILO配置文件lilo.conf中加入一行：append＝“ramdis_size=10000”,運(yùn)行LILO后，重啟計(jì)算機(jī)后，ramdisk大小變?yōu)?0M，或者在啟動(dòng)是作為啟動(dòng)行參數(shù)ramdis_size=10000；當(dāng)ramdisk是作為可加載模塊編譯時(shí)，需要在模塊加載配置文件/etc/modules.conf中加入一行：options rd rd_size=10000,或者在加載rd模塊是在后面加上說明,即insmod rd rd_size=10000。
3 實(shí)現(xiàn)過程
3.1創(chuàng)建壓縮的文件系統(tǒng)
我們的實(shí)現(xiàn)過程是依賴于存在的Linux系統(tǒng)。首先啟動(dòng)一般的Linux系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中根據(jù)自己的需要，創(chuàng)建一個(gè)適合功能的文件系統(tǒng)。例如我們要實(shí)現(xiàn)Apache網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，那么只要把完成系統(tǒng)啟動(dòng)和基本維護(hù)需要的一些命令、腳本、配置文件和庫函數(shù)留下，再加上實(shí)現(xiàn)Apache服務(wù)器所需要的。具體過程為：
在Linux下建立目錄/minlinux,我們?cè)诖四夸浵聞?chuàng)建的文件系統(tǒng)。系統(tǒng)的所有靜態(tài)鏈接庫，幫助手冊(cè)（man pages），信息頁（info pages），頭文件，內(nèi)核源碼對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行是完全無用的，所以不需要它們。在目錄bin下放系統(tǒng)維護(hù)的一些基本工具，如ls、mv、grep、chown、chmod、chgrp、ln、rm等；在sbin下是系統(tǒng)啟動(dòng)過程通常需要的命令，如bash、e2fsck、mke2fs、fdisk、insmod、rmmod、depmod、modprobe、lsmod、shutdown、reboot、login、init、getty、mount、umount、等；usr/bin下放置Apache應(yīng)用程序http和其他一些特殊工具。然后根據(jù)這些可執(zhí)行文件需要的動(dòng)態(tài)鏈接庫來確定lib目錄下的內(nèi)容。當(dāng)然目錄etc下的配置文件，dev下的設(shè)備文件需要的都必須要有，它們都是和可執(zhí)行文件對(duì)應(yīng)的，因?yàn)樵S多可執(zhí)行文件執(zhí)行時(shí)，一般是打開設(shè)備，根據(jù)配置文件來運(yùn)行。有一個(gè)特殊的目錄proc應(yīng)該設(shè)置，在內(nèi)核編譯選項(xiàng)文件系統(tǒng)選擇中，我們選擇對(duì)文件系統(tǒng)proc的支持，那么在系統(tǒng)運(yùn)行之后它下面有許多內(nèi)容，這些內(nèi)容是實(shí)時(shí)、不斷跟蹤系統(tǒng)內(nèi)核和正在運(yùn)行的進(jìn)程的狀態(tài)而產(chǎn)生的，但不占用任何磁盤空間，而是駐留在內(nèi)存中。在某些情況下，可以通過它來系統(tǒng)設(shè)置，許多工具從這里獲取信息，如dmesg、ps、top等。文件系統(tǒng)制作完成，大小應(yīng)該在20MB左右。
接下來把文件系統(tǒng)拷貝至ramdisk為生成ramdisk映像文件做準(zhǔn)備。我們把系統(tǒng)的ramdisk 改變到30M，重啟計(jì)算機(jī)后，執(zhí)行下列操作：
dd if=/dev/zero of=/dev/ram bs=1k count=30000 把ramdisk調(diào)整到零，以便后面有更高的壓縮率；
mke2fs –m0 /dev/ram 30000 在ramdisk上建立30M的ext2文件系統(tǒng)；
mount /dev/ram /mnt/ram 將已格式化的ramdisk掛載至目錄/mnt/ram；
cp –av /minlinux/* /mnt/ram 將文件結(jié)構(gòu)拷貝至ramdisk。
然后我們對(duì)/mnt/ram/etc目錄下的文件進(jìn)行修改。主要的文件是fstab，它負(fù)責(zé)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)把系統(tǒng)要掛載的文件系統(tǒng)信息傳遞給啟動(dòng)進(jìn)程，我們使用ramdisk作為根文件系統(tǒng)，且不需要交換分區(qū)，所以此文件配置為:
/dev/ram / ext2 defaults 1 1
none /proc proc defaults 0 0
即可。一般來說系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)都要激活交換分區(qū)，即在啟動(dòng)腳本中有swapon –a 命令，但我們不需要交換分區(qū)，因此要把這一項(xiàng)移除，否則啟動(dòng)時(shí)會(huì)打印錯(cuò)誤信息然后停止啟動(dòng)。
最后我們要拷貝ramdisk的映像并將其壓縮。主要步驟如下：
運(yùn)行df ，注意1024-blocks一欄中/dev/ram的數(shù)值，在我的機(jī)上為25600；
卸載/dev/ram，運(yùn)行cd /root切換至root目錄并運(yùn)行umount /dev/ram；
將ramdisk寫成映象文件，運(yùn)行dd if=/dev/ram of=ram30.img bs=1k count=25600；
壓縮，并在/root目錄下產(chǎn)生一個(gè)壓縮的映象文件ram30.img.gz，運(yùn)行g(shù)zip –9v ram30.img。
3.2創(chuàng)建initrd ramdisk 映像
首先我們?cè)?dev/ram0中創(chuàng)建一個(gè)適合大小的ext2文件系統(tǒng)，方法同上，只是大小只有2048K，因?yàn)閕nitrd ramdisk是用來引導(dǎo)（bootstrap）30M的ramdisk，并將它掛載至/mnt/ram。
然后在/dev/ram0中建立映像需要的目錄和文件。創(chuàng)建目錄bin、dev、etc、lib、mnt和可執(zhí)行腳本文件linuxrc，linuxrc的內(nèi)容為：
#!/bin/bash
mount –o –ro /dev/hda1/ /mnt ＃ 以只讀方式將flash盤掛載在/mnt下
zcat /mnt/boot/ram30.img.gz > /dev/ram ＃ 將根文件系統(tǒng)映像解壓至ram
umount /dev/hda1 ＃ 卸載flash盤
bin下面為linuxrc中用到的命令；lib為這些命令需要的動(dòng)態(tài)鏈接庫；etc下為配置文件ld.so.conf，定義命令運(yùn)行時(shí)尋找所需動(dòng)態(tài)鏈接庫的路徑，運(yùn)行命令ldconfig –r /mnt/ram產(chǎn)生文件ld.so.cach，在命令和動(dòng)態(tài)鏈接庫之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系；dev下基本終端設(shè)備和linuxrc中用到的設(shè)備：console、ram、null、systty、tty1、tty2和hda1；mnt為hda1的掛載點(diǎn)。最后創(chuàng)建壓縮的initrd ramdisk映像。
運(yùn)行df 看看/dev/ram0的字節(jié)數(shù),在我的計(jì)算機(jī)上1684KB；轉(zhuǎn)換當(dāng)前目錄至/root并卸載/dev/ram0 umount /dev/ram0；拷貝/dev/ram0成映像文件 dd if=/dev/ram0 of=initrd.img bs=1k count=1684；產(chǎn)生壓縮的映像文件initrd.img.gz，運(yùn)行g(shù)zip -9v initrd.img。
3.3啟動(dòng)
系統(tǒng)的啟動(dòng)需要依靠flash盤，通過LILO把系統(tǒng)啟動(dòng)信息寫入flash盤主引導(dǎo)區(qū)。將flash盤作為第一主盤hda，而將裝有普通Linux的硬盤作為第一從盤hdb并從它啟動(dòng)。在flash硬盤上創(chuàng)建ext2文件系統(tǒng)，將它掛載至/mnt/flash目錄。在flash盤上建立boot目錄，將壓縮的文件系統(tǒng)和initrd映像拷貝至boot目錄下，同時(shí)將Linux內(nèi)核、引導(dǎo)區(qū)記錄boot.b、引導(dǎo)區(qū)映射map拷貝至其下。在普通Linux系統(tǒng)中建立LILO配置文件ramlilo.conf,配置文件如下：
boot=/dev/hda
map=/mnt/flash/boot/map
install=/mnt/flash/boot/boot.b
prompt
timeout=50
image=/mnt/flash/boot/vmlinuz
append= “ramdisk_size=30000”
label=embedded
root=/dev/ram
initrd=/mnt/flash/boot/initrd.img.gz
運(yùn)行命令lilo –C ramlilo.conf ,將啟動(dòng)信息寫入flash的主引導(dǎo)區(qū)MBR。重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，登陸后運(yùn)行mount，我們看到如下兩項(xiàng)：
/dev/ram on / ext2 (rw)
none on /proc type proc (rw)
這顯示只有ramdisk被掛載，制作成功。
4 結(jié)論
在我們制作的嵌入式Linux中進(jìn)行各種操作，速度非?？?，而且系統(tǒng)很穩(wěn)定。沒有出現(xiàn)因?yàn)楦募到y(tǒng)損壞而導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入手工維護(hù)界面的現(xiàn)象。用它作為HTTP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器、寬帶通信設(shè)備管理器或者其他需要長時(shí)間不停運(yùn)行的機(jī)器，都有很高的應(yīng)用價(jià)值。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
評(píng)論