本文將介紹一種兩張軟盤上的Linux系統(tǒng)，它可以當(dāng)作系統(tǒng)應(yīng)急修復(fù)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(nèi)核和一個根據(jù)需要制定的文件系統(tǒng)所構(gòu)成了, 由于Linux是開放源代碼的操作系統(tǒng)，所以在嵌入式領(lǐng)域有著非常廣闊的前景，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用在許多手機(jī)、PDA、MP3播放器等許多電子產(chǎn)品中。本文將介紹一種兩張軟盤上的Linux系統(tǒng)，它可以當(dāng)作系統(tǒng)應(yīng)急修復(fù)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(jī)在加電之后，BIOS會尋找到啟動盤第一個扇區(qū)，并將其復(fù)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(dǎo)程序(比如Lilo或Grub等)的代碼，引導(dǎo)程序會幫助定位內(nèi)核的位置。內(nèi)核的代碼，這通常是從軟盤啟動時使用的引導(dǎo)的方式。對于前者，通常需要內(nèi)核支持initrd。如果是后者，使用的Boot Loader就是arch/i386/boot/bootsect.S。當(dāng)內(nèi)核被編譯的時候，這段執(zhí)行代碼就被鏈接到內(nèi)核image的最開始的地方。這樣很容易就能只要把內(nèi)核復(fù)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(nèi)核會初始化設(shè)備驅(qū)動和內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，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(nèi)核必須知道去那里尋找這個根文件系統(tǒng)，否則它將停機(jī)。 
　　
　　在使用軟盤啟動的方式時，內(nèi)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(nèi)存區(qū)域，但內(nèi)核會把它當(dāng)作磁盤一樣使用。 
　　
　　本文中介紹的例子使用Grub做為引導(dǎo)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(nèi)容為grub、內(nèi)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(nèi)核，然后內(nèi)核解開initrd，并執(zhí)行l(wèi)inuxrc文件，這個文件負(fù)責(zé)提示用戶更換rootfs盤并將其中內(nèi)容解壓至內(nèi)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(fù)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(nèi)核

　　由于軟盤大小的限制，內(nèi)核應(yīng)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(fù)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(wǎng)絡(luò)支持，當(dāng)然，如果做為路由器或者防火墻的話，網(wǎng)絡(luò)支持是必要的，而其他的這可相應(yīng)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(nèi)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(shè)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(nèi)容，chroot, pivot_root用來轉(zhuǎn)換根目錄。 
　　
　　編輯initrd/local/linuxrc文件： 
　　
　　#!/bin/sh 
　　
　　把sysroot目錄mount到一塊內(nèi)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(dāng)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(xiàn)，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(nèi)容解壓到sysroot目錄(內(nèi)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(nèi)容放到initrd(第一張軟盤)中，因為軟盤容量有限，當(dāng)?shù)谝粡堒洷P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(shè)定為當(dāng)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(dāng)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(nèi)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(nèi)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(fù)制到ramdisk目錄中，也就是那塊內(nèi)存中。 
　　
　　cp -R local/* ramdisk/
　　umount ramdisk 
　　
　　將內(nèi)存中的內(nèi)容壓縮為initrd.gz，并復(fù)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(yùn)行的所有文件。通常包括： 
　　
　　基本的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 
　　
　　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(shè)備： /dev/hd*, /dev/tty*, /dev/fd0, /dev/ram*, /dev/console等. 
　　
　　基本的運(yùn)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(jié)構(gòu)等，而且經(jīng)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(yùn)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(shè)備復(fù)制到這個目錄下，只需要復(fù)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(shè)備/dev/console, /dev/kmem, /dev/mem, /dev/tty, /dev/ram0, /dev/null等。 
　　
　　etc/目錄下包含了目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行所必須的配置文件，它包括的內(nèi)容依賴與目標(biāo)系統(tǒng)所要運(yùn)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(jìn)程的參數(shù)，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(nèi)容也可以非常少： 
　　
　　#!/bin/sh
　　/bin/mount -av
　　/bin/umount /mnt/initrd
　　/bin/hostname papaya 
　　
　　fstab的內(nèi)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(nèi)容即可。 
　　
　　現(xiàn)在在/mnt/rootfs中已經(jīng)包含了運(yùn)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(jī)器驗證了。 
[!--empirenews.page--]七.其他方法

　　將內(nèi)核與文件系統(tǒng)進(jìn)行整合，如果不用Grub引導(dǎo)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(nèi)核與文件系統(tǒng)放置在一張軟盤上 
　　
　　確定內(nèi)核的大小和的大小之合沒有超出軟盤的限制。記住內(nèi)核的大小，然后將內(nèi)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(shè)置根設(shè)備為軟盤本身，并且設(shè)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(nèi)核占用了軟盤的前354個記錄塊。記住這個數(shù)字，然后設(shè)置內(nèi)核的Ramdisk Word。Ramdisk Word可以通過rdev命令設(shè)置，它的內(nèi)容為：

　　如果15位設(shè)置的話，內(nèi)核在加載文件系統(tǒng)之前會進(jìn)行提示，這在下面將內(nèi)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(jìn)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(nèi)核和文件系統(tǒng)的軟盤就成功了。 
　　
　　2.內(nèi)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(nèi)核、根文件系統(tǒng)、引導(dǎo)程序之間的整合方法有很多，他們各有各自的特點(diǎn)，有待讀者自己思考。 
　　
　　八.前景

　　按照本文方法所構(gòu)造的Linux系統(tǒng)雖然還不完善，但通過逐步的改進(jìn)，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(jù)不同的應(yīng)用方向通常還包括圖形用戶界面或者是網(wǎng)絡(luò)瀏覽器等應(yīng)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(jié)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)。