Linux BSP开发构建:文件系统构建综述

Linux文件系统是用于管理和存储的一系列的文件的集合。

对于文件系统，功能上设置包含如下内容。

• 系统启动和文件管理有关的程序(init、systemd、ls、cat、cd等)。
• 存储设备信息的文件，以及系统运行相关的设备文件(/sys、/proc等)。
• 支持软件和脚本运行的环境和库(/lib/、/usr/lib)。
• 控制系统启动配置和服务器的的脚本(/etc/)。
• 其它用于进程和系统处理的目录(/tmp、/var、/opt等)。

文件系统基础

对于文件系统，可能接触过的有busybox、buildroot、yocto、openwrt；类似桌面端的Debian、Ubuntu、Armbian、OpenEuler、麒麟等。

回顾构建和使用这些系统的经历，一些问题一直在困扰我？

1. 为什么使用这些工具能够构建可用的文件系统，它们实现的原理是什么，为什么按照这些的步骤就可以实现可用的文件系统。
2. busybox、buildroot、debian、openwrt等它们是否有什么联系？

在理解以上问题以前，无论是构建文件系统、交叉编译软件，都可以说迷雾重重；在系统的去理解了这个问题之前，虽然构建了各类型的文件系统，仍然时雾里看花，无法建立体系。

那么什么是文件系统呢？这里用一句话解释，文件系统是被内核和应用访问的，由目录和文件构成的树结构的集合体。它设计上是为内核提供可以对外的访问接口，而在Linux中"一切皆文件的思想"指导下，这些接口又以文件的形式展示。

对于大部分系统来说，U-Boot在完成加载Kernel和设备树、传递启动命令行参数后，并跳转执行后，就不在发挥作用；我们日常打交道的就是内核和文件系统。其中内核向上层暴露了一系列文件和接口，其中接口以glibc库的形式进一步封装，方便上层用于管理。在应用中，通过系统调用、库函数等方式访问这些文件和接口，完成对系统的管理和控制。

典型的系统的框架如下所示。

可以看到，文件系统提供系统和应用程序的运行环境；通过glibc库，以及相关文件，实现应用层对于内核的访问。

文件系统目录

基于上节信息说明，就可以将文件系统进一步拆解，主要包含如下结构内容。

1. 创建包含系统工作需要的目录(bin, dev, etc...)
2. 必须的配置文件和服务，以及权限管理机制(/etc/profile, /etc/init.d/...)
3. 运行的必要环境变量和执行程序(bash, tar...)
4. 支持上述程序或脚本运行的库(libc.so, libdrm.so...)
5. 用户安装的扩展系统功能的程序(/usr/bin/，/sbin/)。

理解了上述这些，就可以进一步去掌握文件系统各目录的功能，具体如下。

• bin: 必须，存放系统执行的必备二进制工具，用于系统启动和快速访问，如bash，cp，mkdir等。
• boot: 可选，启动目录，存放启动文件；可在系统启动时加载执行，可以不存在。
• dev: 必须，包含了与硬件设备相关的特殊文件。dev目录下的文件在系统启动时由内核自动创建，这些文件是系统提供的访问内核硬件的接口文件，用于与硬件设备、驱动程序以及其他内核的数据交互。
• etc: 必须，系统配置文件目录，用于管理系统启动配置项和服务项，如启动脚本，系统服务，网络配置。
• etc/fstab：定义文件系统的静态信息的文件。它包含了系统中硬盘分区、挂载点、文件系统类型、挂载选项等信息，用于指导系统如何挂载文件系统。
• etc/hosts：包含了本机或其他主机的IP地址和对应的主机名，以及主机名的别名。
• etc/passwd：包含用户信息的文件，如用户名，权限以及启动后执行的脚本命令。
• etc/shadow etc/passwd：影子口令文件，用户密码信息存放在此处，root权限可读。
• etc/init.d/rc*：启动、或改变运行集执行的脚本文件。
• home：根目录，通过adduser创建的自定义用户目录位于此目录下；一般仅特定用户支持的文件和工具也安装在此。
• lib：必须，用于存放系统所需的共享库文件的目录。这些库文件包含了程序运行时所需要的函数和数据，以便程序能够正确地执行。
• lib32/lib64：可选，用于存放32位和64位系统所需的共享库文件的目录(有些系统可以全部都在lib目录下)。
• lost+found：可选，用于存储文件系统中的碎片文件和丢失文件的目录。当文件系统发生错误时，可能会产生一些碎片文件或丢失文件，这些文件通常位于lost+found目录下
• media：可选，用于挂载可移动存储设备的目录，提供方便，统一的挂载点
• mnt：可选，mnt目录是一个挂载点，用于临时挂载文件系统。它通常用于挂载外部存储设备或网络文件系统，以便用户可以轻松地访问和操作这些文件系统。
• opt：可选，用于存放独立的第三方软件包，这些软件包通常不是操作系统的核心组件，提供可选的安装目录。
• proc：必须，和/dev/类似，不过与设备不同，这里提供应用层操作内核配置和参数的接口(包括硬件)，使得用户和应用程序可以通过/proc来查看有关系统硬件、当前正在运行进程的信息，甚至可以更改其中某些文件来改变内核的运行状态。
• root：必须，root用户的工作目录，存储root用户的个人文件和配置信息。
• run：可选，是一个临时文件目录，用于存储系统启动以来的信息，重启后，系统会自动删除相关信息。
• sbin：必须，主要放置了一些系统管理的必备程序。
• srv：服务目录，存放本地服务的相关文件。
• sys：必须，虚拟文件系统目录，也称为sysfs，它提供了对内核对象和设备树的访问。
• tmp：必须，临时文件存储目录，其作用是为应用程序和用户提供公共的临时文件存储空间，重启后会清除tmp缓存信息。
• usr: 必须，用户安装的软件和文件，以及系统默认的软件和文件，包含了系统的核心文件和应用程序。
• var: 可选，包含了在系统运行过程中会改变的文件，这些文件通常包括日志文件、临时文件和缓存文件。

上面是文件系统的目录结构和功能说明，对于Linux用户来说，主要接触的目录为/bin、/usr、/sbin、/lib、/etc目录等配置和管理整个系统，对于嵌入式开发者，还需要关注/dev、/proc、/sys目录用于查看内核系统的状态。

关于rootfs目录的标准定义参考网址: http://www.pathname.com/fhs

文件系统构建说明

文件系统的构建过程，就是创建上述目录，并在对应目录下添加相应文件、库或者程序的过程。也就是说，手动创建这些目录，然后添加文件、库或者程序，也可以构建可用的文件系统。而上面提到文件系统的构建过程，本质上也是实现这些目录和文件的过程；当然方法可能千差万别，既有手动编译构建，也有下载安装。理解了文件系统的本质，那么构建系统和交叉编译的问题就有另外的思路去理解。

构建系统的步骤可以分为如下:

1. 创建系统启动的目录(主要是上面的必须目录)。
2. 完善系统启动必须的动态库；放置在/lib和/usr/lib目录。
3. 安装系统启动的必要命令工具，如init，bash(sh), cp, ls等，放置在/bin, /sbin目录
4. 创建系统执行的必要配置和服务，主要是启动进程、磁盘管理、用户管理和配置服务等，主要在/etc目录实现。

至此，一个基于命令行的，可命令行访问的最小文件系统构建完成。

busybox构建说明

BusyBox的构建就是基于上述逻辑。不过这样构建的系统只支持最基本的功能，如/etc启动配置，基本shell命令(ls, cd，mv)等。需要支持更多的功能，就需要去找源码单独编译移植，然后将动态库和程序安装到相应的目录中，这就涉及交叉编译的内容。

当然部分复杂的系统会构建服务器端存储已经编译好的程序和库，直接下载即可，apt、yum的原理即是于此。

基于busybox的系统构建仅提供必要的命令工具和文件；系统中需要的目录，动态库和配置文件都需要手动创建或添加。这种方式其实十分麻烦，而且不同版本或库的兼容性问题处理也十分繁杂，只能用于了解系统构建过程，在实践中很少使用。

buildroot构建说明

为了解决这类问题，就有技术人员发起项目；通过脚本工具链，以BusyBox这类方案为基础、集合Linux平台常用工具、配合界面化的管理，实现通过配置命令的方式直接生成打包完整的文件系统，这就是buildroot的框架本质。

当然Buildroot项目支持更加全面，不仅包含以busybox，systemd的基础系统，还支持扩展添加python，lua等软件；通过类似内核Kconfig的图形化配置，Buildroot兼顾了自动化构建和系统完全可裁剪系统的优点，对于低性能嵌入式soc方案，目前就是较优选择。

yocto构建说明

Buildroot是通用的方案，适配大部分的SOC，这也带来了配置的复杂度。对于某个特定的SOC，应用就需要很多适配硬件的配置项的调整，这也是文件构建的痛点和难点。部分厂商参考这个思路，以某个U-Boot和Kernel版本为基础，根据自家平台进一步整理个性化，包含私有的配置和更丰富的软件，然后打包以SDK形式发布，允许用户直接编译使用，Yocto系统就是按照这个思路设计的。

比起Buildroot来说，Yocto更加个性化和专用化，用户可以在修改很少配置项的情况下实现丰富的功能，也是常见的选择。

当然，有些芯片厂商或者方案商也会根据行业的特殊需求定制对应的系统。例如openwrt就服务于软路由实现，自带网络层转发管理和远程Web控制，其内部也集成下载工具，支持通过opkg安装离线和本地软件，是为路由应用专门定制的os系统。

Debian构建说明

BusyBox、Buildroot、Yocto和Openwrt这些文件系统的构建都涉及到环境构建和编译，不仅构建需要耗费大量的时间，而且文件系统的编译也十分依赖系统环境的支持。

在编译过程中，不同版本的系统环境以及库支持往往千差万别，如何解决编译的兼容问题也是构建平台的大麻烦。那么有没有将需要的二进制执行文件，脚本，配置文件压缩后放置在指定地址；用户只需要下载解压，执行安装既可以生成，不需要编译就可以完善系统呢？类似桌面端的Ubuntu使用iso安装，再通过apt更新程序版本；这当然存在，嵌入式Linux端也有同样的解决方案。Debian文件系统就是基于此方法构建的，其中debootstrap可以理解为专用的系统下载和构建工具。

Ubuntu则属于对Debian的进一步整合，包含更多的库和程序。当然也还有其它一些文件系统在Debian或Ubuntu上进一步整合，如Armbian、麒麟、OpenEuler等。虽然构建方式不同，也更加复杂，但仍然属于此类文件系统。

至此，主流文件系统的构建方式讲解完毕；理解了这些，就可以更清晰的构建文件系统，这样就可以更有条理的进行后续文件系统的编译学习。