Linux BSP开发构建:构建基础的busybox系统

对于嵌入式项目开发来说，往往使用Buildroot、Openwrt、Debian、Ubuntu等系统作为应用执行的平台，很少单独使用Busybox来构建系统。

Busybox构建的系统只有基础目录和功能，为了满足后续应用开发需求，往往需要进行大量的第三方软件移植，这是十分低效的方式。不过从学习的角度来说，BusyBox又是比较适合入门的系统，可以理解构建系统需要的文件和执行流程。

下载和编译

对于BusyBox的构建，第一步是下载基础的busybox源码，然后编译。

编译命令如下所示。

# 下载busybox, 解压并进入wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.36.1.tar.bz2tar -xvf busybox-1.36.1.tar.bz2cd busybox-1.36.1/# 关闭后保存，开启编译make -j4 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- menuconfigmake -j4 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf-make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- install# 编译好的文件保存在"$PWD/_install"目录下，默认为bin/linuxrc/sbin/usr/

一般编译完成后，编译结果如下所示。

注意: BusyBox后面Trying libraies是编译过程中出现的一些警告，不影响编译结果。这并不是报错，而是编译最终的库文件libbusybox.so时需要提前剔除编译工具不支持的库或者链接，否则则会发生编译错误。

至此，完成第一阶段工作，Busybox系统的编译工具完成。

创建文件目录

对于文件系统构建，下一步是创建目录，添加系统配置文件，执行启动流程。

创建关键目录

Linux文件系统需要一些关键目录的支持，这一步就是创建一些必要的目录，包含/dev、/etc、/lib、/proc、/root、/sbin、/sys、/tmp、/run等。

创建目录的命令如下所示。

# 创建文件目录mkdir dev etc lib proc root sys tmp runmkidr etc/init.d

创建inittab文件

Busybox属于传统的SysV init系统, 启动的init进程会解析/etc/inittab文件，然后执行对应的脚本。

/etc/inittab文件是Linux系统初始化过程中的一个重要配置文件，它负责控制系统的运行级别以及定义系统启动时的各种行为和进程。

/etc/inittab的文件内容如下所示。

# inittab启动信息vim etc/inittab################ 文件内容 ################# /etc/inittab## Copyright (C) 2001 Erik Andersen <andersen@codepoet.org>## Note: BusyBox init doesn't support runlevels.  The runlevels field is# completely ignored by BusyBox init. If you want runlevels, use# sysvinit.## Format for each entry: <id>:<runlevels>:<action>:<process>## id        == tty to run on, or empty for /dev/console# runlevels == ignored# action    == one of sysinit, respawn, askfirst, wait, and once# process   == program to run# Startup the system::sysinit:/bin/mount -t proc proc /proc               # 挂载proc文件系统，用于查看系统信息::sysinit:/bin/mount -o remount,rw /                  # 重新挂载根目录，设置为可读写(设置为只读后后续则不能修改文件系统)::sysinit:/bin/mkdir -p /dev/pts /dev/shm             # 创建pts和shm目录::sysinit:/bin/mount -a                               # 解析/etc/fstab，并挂载相应目录::sysinit:/bin/mkdir -p /run/lock/subsys              # 创建/run/lock/subsys目录::sysinit:/sbin/swapon -a                             # ‌swapon命令‌用于激活Linux系统中的交换空间# 将系统关键文件软链接到设备文件目录null::sysinit:/bin/ln -sf /proc/self/fd /dev/fdnull::sysinit:/bin/ln -sf /proc/self/fd/0 /dev/stdinnull::sysinit:/bin/ln -sf /proc/self/fd/1 /dev/stdoutnull::sysinit:/bin/ln -sf /proc/self/fd/2 /dev/stderr::sysinit:/bin/hostname -F /etc/hostname              # 读取/etc/hostname文件并设置主机名# now run any rc scripts::sysinit:/etc/init.d/rcS                             # 执行rcS中的启动脚本# Put a getty on the serial portconsole::respawn:/sbin/getty -L  console 0 vt100      # GENERIC_SERIAL，启用tty作为串口ttymxc0::respawn:/sbin/getty -L ttymxc0 0 vt100       # 同时启用串口0作为输出# Stuff to do for the 3-finger salute#::ctrlaltdel:/sbin/reboot# Stuff to do before rebooting::shutdown:/sbin/swapoff -a                             # 停止所有交换空间::shutdown:/bin/umount -a -r                            # 停止所有挂载的分区

创建/etc/passwd文件

/etc/passwd文件是Linux系统中一个重要的配置文件，用于存储用户账户的信息。

其格式内容对应如下。

登录用户名:用户口令:用户UID:组UID:备注:$HOME:用户启动的shell

• 用户口令为了保证系统安全，保存在/etc/shadow中
• 用户启动的shell，包含如下。
• /bin/sh：具体shell命令行
• /bin/false：立刻退出，返回1的程序
• /bin/true：立刻退出，返回0的程序
• /bin/sync：当该用户执行操作时，系统会调用 sync 命令
• /usr/sbin/nologin: 系统不会为其提供交互式 shell，而是输出一条提示信息，告知用户此账户不能登录。

这里展示具体项目中的passwd文件。

# 用户密码和启动执行应用vim etc/passwd################ 文件内容 ################root:x:0:0:root:/root:/bin/shdaemon:x:1:1:daemon:/usr/sbin:/bin/falsebin:x:2:2:bin:/bin:/bin/falsesys:x:3:3:sys:/dev:/bin/falsesync:x:4:100:sync:/bin:/bin/syncmail:x:8:8:mail:/var/spool/mail:/bin/falsewww-data:x:33:33:www-data:/var/www:/bin/falseoperator:x:37:37:Operator:/var:/bin/falsenobody:x:65534:65534:nobody:/home:/bin/false

创建/etc/fstab文件

/etc/fstab文件是Linux系统中一个至关重要的配置文件，它用于定义和管理文件系统的挂载信息。

1. 设备文件：指定需要挂载的设备或分区。可以使用物理设备名（如/dev/sda1）、UUID（如UUID=xxxx-xxxx-xxxx）或LABEL（如LABEL=MyData）来标识设备
2. 指定文件系统挂载的位置，即它在目录树中的路径。挂载点可以是任何一个空目录，如/表示根文件系统，/home表示用户目录挂载点
3. 文件系统类型：指定设备上的文件系统类型，如ext4、vfat、NTFS等。这是告诉内核如何处理该分区的重要信息。
4. 指定挂载该设备时所使用的特定参数选项，多个参数由逗号分隔。常见的挂载选项包括defaults（包含rw、suid、dev、exec等默认选项）、ro（只读模式）、rw（读写模式）、noatime（不更新文件访问时间以提升性能）、nodiratime（不更新目录访问时间）、user/nouser（允许/不允许普通用户挂载）、sync/async（同步/异步I/O操作）、noexec（禁止在文件系统上执行可执行文件）、nofail（即使设备在启动时不可用，系统仍会继续正常启动）等。
5. 指定是否启用dump备份程序。0表示不备份该分区，1表示允许dump备份。
6. 指定系统在启动时使用fsck工具检查文件系统的顺序。0表示不检查该文件系统，1通常用于根分区（/），表示启动时首先检查这个分区，2一般用于对其他分区进行检查（如/home、/var等）

关于/etc/fstab文件的内容如下所示。

# 文件系统信息vim etc/fstab################ 文件内容 ################# <file system> <mount pt> <type> <options> <dump> <pass>/dev/root /  ext2 rw,noauto 0 1proc  /proc  proc defaults 0 0devpts /dev/pts devpts defaults,gid=5,mode=620,ptmxmode=0666 0 0tmpfs  /dev/shm tmpfs mode=0777 0 0tmpfs  /tmp  tmpfs mode=1777 0 0tmpfs  /run  tmpfs mode=0755,nosuid,nodev 0 0sysfs  /sys  sysfs defaults 0 0

创建rcS文件

/etc/init.d/rcS是一个系统启动脚本文件，用于在Linux系统启动时执行一系列初始化操作。它通常位于根文件系统的/etc/init.d目录下。

/etc/init.d/rcS文件的内容如下所示。

# 系统启动时执行的脚本vim /etc/init.d/rcS################ 文件内容 #################!/bin/sh# Start all init scripts in /etc/init.d# executing them in numerical order.#for i in /etc/init.d/S??* ;do # Ignore dangling symlinks (if any). [ ! -f "$i" ] && continue case "$i" in *.sh)  # Source shell script for speed.  (  trap - INT QUIT TSTP  set start  . $i  )  ;; *)  # No sh extension, so fork subprocess.  $i start  ;; esacdone#set global pathexport PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/binexport LD_LIBRARY_PATH=/lib:/usr/lib:/usr/local/lib

增加rcS的启动脚本内容S40network

#!/bin/sh## Start the network....## Debian ifupdown needs the /run/network lock directorymkdir -p /run/networkcase "$1" instart) printf "Starting network: " /sbin/ifup -a [ $? = 0 ] && echo "OK" || echo "FAIL" ;;stop) printf "Stopping network: " /sbin/ifdown -a [ $? = 0 ] && echo "OK" || echo "FAIL" ;;restart|reload) "$0" stop "$0" start ;;*) echo "Usage: $0 {start|stop|restart}" exit 1esacexit $?

创建网络启动文件

增加静态IP文件，"/sbin/ifup -a"是用于激活网络接口的命令，会读取"/etc/network/interfaces"文件，文件内容如下所示。

网络启动时的配置文件如下所示。

# 创建网络启动配置文件vim /etc/network/interfaces# 内容如下# The primary network interface, address and gateway set as the auto eth0iface eth0 inet static address 192.168.1.125 netmask 255.255.255.0 gateway 192.168.1.1# 设置回环地址auto lo iface lo inet loopback# 注意，address和gateway的设置根据路由器或者网关来定义，启动IP地址不能与当前局域网内设备冲突。

创建DNS启动时的配置文件

当Linux系统运行需要进行域名解析的命令，如ping、wget、curl时，系统会启动一个DNS查询，此过程会读取"/etc/resolv.conf"文件。

DNS启动时的配置文件如下所示。

# 添加DNS服务器vim /etc/resolv.conf  # 内容如下nameserver 223.5.5.5nameserver 8.8.8.8nameserver 8.8.4.4

添加GCC标准库

上述操作完成了系统启动需求的配置文件，这里则安装支持文件系统运行的动态库。之前提到，linux系统文件除了特殊编译全静态链接的，大部分都需要系统的glibc库支持；而这个glibc库，正是我们之前使用的编译工具对应lib目录中的*.so文件。这部分直接复制即可，命令如下。

# 复制c++ libsudo cp -ravf $GCC_LIB/lib/*so* lib/# 复制c lib到sudo cp -ravf $GCC_LIB/libc/lib/*so* $NFS_PATH/lib/

至此，我们完成了构建最小文件系统的全部工作。如果后续需要扩展功能，就交叉编译相应的工具，将可执行文件和库放入对应的目录，就可以正常的被系统所访问。

文件系统打包

不过对于下载工具或者Linux系统，可以按照需要打包成tar或img两种方式。

• tar打包方式

# 打包成tar格式tar -vcjf rootfs.tar.bz2 *

• img打包方式

export root_name=arm-busyboxexport root_size=1024# 创建打包文件*.imgdd if=/dev/zero of=${root_name}.img bs=1M count=${root_size}mkfs.ext4 ${root_name}.img# 导入rootfs信息到img# 原理就是将img文件以硬盘的形式挂载到系统中，然后将上述编译好的文件系统复制到其中，再移除硬盘，此时sudo mount -o loop ${root_name}.img arm/  sudo cp -arv rootfs/ arm/sudo umount arm

打包好的硬盘img文件通过qemu-img文件进一步进行处理。

# 查看虚拟镜像的信息qemu-img info *.img# 调整硬盘容量qemu-img resize *.img [size]

总结说明

通过上述步骤，我们完成了最小文件系统的构建，具体流程如下所示。

1. 编译BusyBox源码，生成关键程序。
2. 创建系统运行的必要文件目录。
3. 添加服务处理文件，如/etc/inittab、/etc/passwd、/etc/fstab、/etc/init.d/rcS。
4. 添加系统运行库，主要是系统执行的必要动态库，如libc、libgcc等。
5. 打包文件系统，生成img文件或者tar文件。

另外，如果扩展第三方应用支持，还需要进行第三方软件交叉编译和移植。

对于一个完整的项目，往往需要大量的第三方软件库的支持，如cjson、openssh、curl、ffmpeg、docker、qt-gui等。理论上需要大量的交叉编译和移植工作，处理兼容性和不同版本组合后系统的稳定性，也是繁杂的工作。这里说个需求，尝试基于busybox实现支持Qt的应用，以及基于gdb的QTCreate远程调试，就可以了解其它中繁琐和复杂程度。

组合构建更简单的编译方式便成为迫切的需求；将编译需要的环境，库和软件通过脚本的形式打包，构成了自动编译工具；做到开箱即可编译U-Boot、Kernel和Rootfs，并通过menuconfig选项添加第三方软件支持，Buildroot正是基于这个理念构建的项目，这将在后续章节进行说明。