技巧：實現嵌入式Linux系統的新方法
加入技術交流群
引言
在Linux操作系統中，有一項特殊的功能——初始化內存盤INITRD（INITial Ram Disk）技術，而且內核支持壓縮的文件系統映像。有了這兩項功能，我們可以讓Linux系統從小的初始化內存盤啟動，并把系統內存的一部分作為根文件系統掛載，而且不使用交換分區（如果不運行X Windows這是完全可以的），即把Linux系統完全嵌入到內存中,而不依賴于任何其他硬盤。現在PC機內存至少128M，而根文件系統所用的只有30MB，因此不僅不會使整機性能下降，反而有很大的提高。
由于系統不工作在硬盤上，所以系統消除了由于機械驅動而導致的問題；因為系統運行于內存中，根文件系統和操作完全在CPU/RAM環境下，系統性能在速度和可靠性方面非常好；它不會由于非法關機而破壞文件系統，因為我們每一次啟動是把壓縮的文件系統解壓至內存盤中作為根文件系統掛載。
1 硬件要求
對于這樣一個系統，硬件不需要特別的設計，只是通過普通的PC機上的組件實現。值得一提是系統的內存的大小，它至少應該有64M。因為30M作為Ramdisk使用，剩下30多兆作為系統運行，才能保證系統的正常工作，我們現在的計算機內存一般為128M，這個條件都能滿足。唯一特別的是一個flash盤 ，它相當于一個IDE接口的硬盤，大小為20M，主要用它作為啟動LILO和放置根文件系統壓縮包。
2 Ramdisk的使用
Ramdisk就是將內存的一部分分配為一個分區并作為硬盤來使用。對于系統運行時不斷使用的程序，將它們放在Ramdisk中將加快計算機的操作，如大數據量的網絡服務器、無盤工作站等。為了能夠使用Ramdisk，我們在編譯內核時須將block device中的Ramdisk支持選上，它下面還有兩個選項，一個是設定Ramdisk的大小，默認是4096k；另一個是initrd的支持。它既可以直接編譯進內核，也可以編譯成模塊，在需要的時候加載。我們由于在啟動時就用它，所以必須將它直接編譯進內核。
如果對Ramdisk的支持已經編譯進內核，我們就可以使用它了。首先在/mnt目錄下創建目錄ram，運行mkdir /mnt/ram；然后對/dev/ram0創建文件系統，運行mke2fs /dev/ram；最后掛載上/dev/ram，運行mount /dev/ram /mnt/ram，就可以象對普通硬盤一樣對它進行操作了。值得注意的是，在創建文件系統的時候，在屏幕上輸出1024 inodes ，4096 blocks，即ramdisk大小為4M＝4096個塊，但是我們掛載上之后，用命令df –k /dev/ram查看時，顯示出來ramdisk大小只有3963K，這是由于文件系統本身占用了一些空間。
我們能根據需要改變ramdisk地大小。如我們要把默認的4M增大到10M，當ramdisk是直接編譯進內核的情況下，可在LILO配置文件lilo.conf中加入一行：append＝“ramdis_size=10000”,運行LILO后，重啟計算機后，ramdisk大小變為10M，或者在啟動是作為啟動行參數ramdis_size=10000；當ramdisk是作為可加載模塊編譯時，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 實現過程
3.1創建壓縮的文件系統
我們的實現過程是依賴于存在的Linux系統。首先啟動一般的Linux系統，在這個系統中根據自己的需要，創建一個適合功能的文件系統。例如我們要實現Apache網絡服務器，那么只要把完成系統啟動和基本維護需要的一些命令、腳本、配置文件和庫函數留下，再加上實現Apache服務器所需要的。具體過程為：
在Linux下建立目錄/minlinux,我們在此目錄下創建的文件系統。系統的所有靜態鏈接庫，幫助手冊（man pages），信息頁（info pages），頭文件，內核源碼對于系統運行是完全無用的，所以不需要它們。在目錄bin下放系統維護的一些基本工具，如ls、mv、grep、chown、chmod、chgrp、ln、rm等；在sbin下是系統啟動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應用程序http和其他一些特殊工具。然后根據這些可執行文件需要的動態鏈接庫來確定lib目錄下的內容。當然目錄etc下的配置文件，dev下的設備文件需要的都必須要有，它們都是和可執行文件對應的，因為許多可執行文件執行時，一般是打開設備，根據配置文件來運行。有一個特殊的目錄proc應該設置，在內核編譯選項文件系統選擇中，我們選擇對文件系統proc的支持，那么在系統運行之后它下面有許多內容，這些內容是實時、不斷跟蹤系統內核和正在運行的進程的狀態而產生的，但不占用任何磁盤空間，而是駐留在內存中。在某些情況下，可以通過它來系統設置，許多工具從這里獲取信息，如dmesg、ps、top等。文件系統制作完成，大小應該在20MB左右。
接下來把文件系統拷貝至ramdisk為生成ramdisk映像文件做準備。我們把系統的ramdisk 改變到30M，重啟計算機后，執行下列操作：
dd if=/dev/zero of=/dev/ram bs=1k count=30000 把ramdisk調整到零，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；
mount /dev/ram /mnt/ram 將已格式化的ramdisk掛載至目錄/mnt/ram；
cp –av /minlinux/* /mnt/ram 將文件結構拷貝至ramdisk。
然后我們對/mnt/ram/etc目錄下的文件進行修改。主要的文件是fstab，它負責在系統啟動時把系統要掛載的文件系統信息傳遞給啟動進程，我們使用ramdisk作為根文件系統，且不需要交換分區，所以此文件配置為:
/dev/ram / ext2 defaults 1 1
none /proc proc defaults 0 0
即可。一般來說系統啟動時都要激活交換分區，即在啟動腳本中有swapon –a 命令，但我們不需要交換分區，因此要把這一項移除，否則啟動時會打印錯誤信息然后停止啟動。
最后我們要拷貝ramdisk的映像并將其壓縮。主要步驟如下：
運行df ，注意1024-blocks一欄中/dev/ram的數值，在我的機上為25600；
卸載/dev/ram，運行cd /root切換至root目錄并運行umount /dev/ram；
將ramdisk寫成映象文件，運行dd if=/dev/ram of=ram30.img bs=1k count=25600；
壓縮，并在/root目錄下產生一個壓縮的映象文件ram30.img.gz，運行gzip –9v ram30.img。
3.2創建initrd ramdisk 映像
首先我們在/dev/ram0中創建一個適合大小的ext2文件系統，方法同上，只是大小只有2048K，因為initrd ramdisk是用來引導（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。創建目錄bin、dev、etc、lib、mnt和可執行腳本文件linuxrc，linuxrc的內容為：
#!/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態鏈接庫；etc下為配置文件ld.so.conf，定義命令運行時尋找所需動態鏈接庫的路徑，運行命令ldconfig –r /mnt/ram產生文件ld.so.cach，在命令和動態鏈接庫之間建立對應關系；dev下基本終端設備和linuxrc中用到的設備：console、ram、null、systty、tty1、tty2和hda1；mnt為hda1的掛載點。最后創建壓縮的initrd ramdisk映像。
運行df 看看/dev/ram0的字節數,在我的計算機上1684KB；轉換當前目錄至/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；產生壓縮的映像文件initrd.img.gz，運行gzip -9v initrd.img。
3.3啟動
系統的啟動需要依靠flash盤，通過LILO把系統啟動信息寫入flash盤主引導區。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。在flash硬盤上創建ext2文件系統，將它掛載至/mnt/flash目錄。在flash盤上建立boot目錄，將壓縮的文件系統和initrd映像拷貝至boot目錄下，同時將Linux內核、引導區記錄boot.b、引導區映射map拷貝至其下。在普通Linux系統中建立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
運行命令lilo –C ramlilo.conf ,將啟動信息寫入flash的主引導區MBR。重新啟動計算機，登陸后運行mount，我們看到如下兩項：
/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 結論
在我們制作的嵌入式Linux中進行各種操作，速度非常快，而且系統很穩定。沒有出現因為根文件系統損壞而導致系統進入手工維護界面的現象。用它作為HTTP網絡服務器、網絡監視器、寬帶通信設備管理器或者其他需要長時間不停運行的機器，都有很高的應用價值。 linux操作系統文章專題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）
評論