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自己动手做一个迷你 Linux 系统

王朝system·作者佚名  2006-01-09
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本文将带领大家构建一个迷你型的 Linux 系统。它占用的硬盘空间远小于 16M 字节,但是却包括了 XFree86 的 X Window 窗口系统。

目标

本文要构建的这个迷你型的 Linux 系统只能在一台特定的单机上运行,如果读者朋友们有兴趣的话,在这个系统的基础上加以改进,是可以构建出通用的、可以在大多数常规 PC 机上即插即用的系统来的。但是这已经不在本文的话题之内了,读者朋友们如果有兴趣,可以通过我的电子邮件和我讨论其中的细节问题。

我们的目标 Linux 系统运行在一台普通的 Intel 386 PC 机上,可以有硬盘,也可以不要硬盘,而用 Flash Disk 来代替。如果是用 Flash 盘的话,需要能够支持从 Flash 盘启动,而且 Flash 盘的大小要在 16M 字节或者以上。我们希望用户一开机启动,就直接进入 X Window 图形界面,运行事先指定好的程序。不需要用户输入用户名和密码进行登录。

我们设定的这个目标有点像一个 X Terminal 终端工作站。稍加改进,还可以做成干脆无盘的形式,也就是说,连 16M 的 Flash 盘也不要了。不过,这也超出了本文的话题了。读者朋友们如果有兴趣,可以来信和我进行讨论。

系统启动

因为我们要考虑从 Flash 盘进行启动,所以我们选择用 LILO 作为我们的 Boot Loader,而不选用 GRUB。这是考虑到 GRUB 有较强的对硬盘和文件系统的识别能力,而 Flash 盘到底不是标准的硬盘,并且我们选用的文件系统 GRUB 又不一定认识,搞不好的话 GRUB 反 会弄巧成拙。而 LILO 就简单的多了,它在硬盘开始的 MBR 写入一个小程序,这个小程序不经过文件系统,直接从硬盘扇区号,读出 Kernel Image 装入内存。这样,保险系数就大大增加。并且也给了我们自由选用文件系统的余地。那么,我们要如何安装 LILO 呢?

首先,我们要找一块普通的 800M 左右的 IDE 硬盘,连在目标机器的 IDE 线上。这样在我们的目标机器上,IDE1 上挂的是 Flash 盘,IDE2 上挂的是一块工作硬盘。我们用标准的步骤在 IDE2 的标准硬盘上装上一个 Debian GNU/Linux 系统。当然,如果读者朋友们手头没有 Debian,也可以装 Red Hat 系统。装好工作系统之后,要首先做一些裁减工作,把不必要的 Service 和 X Window 等等东西都删掉。这样做的目的是增进系统启动速度,因为我们在后面的工作中,肯定要不停的重新启动机器,所以启动速度对我们的工作效率是很关键的。

装好工作系统之后,在 Falsh 盘上做一个 Ext2 文件系统,这个用 mke2fs 这个命令就可以完成。由于 Flash 盘是接在 IDE1 上的,所以在 Linux 里面,它的身份是 /dev/hda。本文作者在操作的时候,把整个 Flash 盘划分了一个整个的分区,所以,调用 mke2fs 的时候,处理的是 /dev/hda1。读者朋友们应该可以直接在 /dev/hda 上做一个 Ext2 文件系统,而不用事先分区。

在 Flash 盘上做好了文件系统之后,就可以把一个编译好的内核映像文件 vmlinuz 拷贝到 Flash 盘上了。注意,必须要先把这个 vmlinuz 映像文件拷贝到 Flash 盘上,然后才能在 Flash 盘上安装 LILO。不然的话,LILO 到时候可是会 LILILILI 打结巴的,因为它会找不到 Kernel Image 在 Flash 盘上的位置的,那样的话 Flash 盘也就启动不起来了。还有,如果读者朋友们在 Flash 盘上用的是一个压缩的文件系统的话,到时候 LILO 也会出问题,它虽然能正确的找到 Kernel Image 在硬盘上的起始位置,但是它却没有办法处理被文件系统重新压缩过的这个 Kernel Image,不知道该如何把它展开到内存中去。

把 Kernel Image 拷贝过去以后,我们就可以动手编辑一份 lilo.conf 文件,这份文件可以就放在工作系统上就行了。但是注意在 lilo.conf 中索引的文件名的路径可要写对。这些路径名都是在工作系统上看上去的路径名。比如,如果 Flash 盘 Mount 在 /mnt 目录下面,那么,在 lilo.conf 中,vmlinuz 的路径名就是 /mnt/vmlinuz。注意这一点千万不要搞错。不然的话,如果一不小心把工作系统的 LILO 给破坏掉了,那就麻烦了。编辑好了 lilo.conf,然后再运行 lilo 命令,注意,要告诉它用这个新的 lilo.conf 文件,而不要用 /etc/lilo.conf。

安装好 LILO 之后,我们可以立即重新启动,测试一下。首先在 BIOS 里面,设置成从 IDE1 开始启动,如果我们看到 LILO 的提示符,按回车后还能看到 Kernel 输出的消息,这就算是 LILO 的安装成功了。记得这个操作的方法,以后每次我们更新 Flash 盘上的 Kernel Image,都记得要更新 LILO。也就是说,要重新运行一遍 lilo 命令。

编译内核

试验成功 LILO 的安装以后,我们开始考虑编译一个新的内核。当然,要编译新的内核,我们首先要进入我们的工作系统。这里有两个办法进入工作系统,一是在 BIOS 里面设置从 IDE2 启动,当然,这就要求当初安装工作系统的时候,要把 LILO 安装在 /dev/hdb 上;另一个办法是还是从 IDE1 启动,不改变 BIOS 的设置,但是在看到 LILO 的提示符的时候,要键入 linux root=/dev/hdb1,最前面的 linux 是在 lilo.conf 里面定义的一个 entry,我们只采用这个 entry 所指定的 Kernel Image,但是用 /dev/hdb1 作为 root 文件系统。两个办法可能有的时候一个比另一个好,更方便一些。这就要看具体的情况了。不过,它们的设置并不是互相冲突的。

在编译内核的时候,由于我们的内核是只有一台机器使用的,所以我们应该对它的情况了如指掌;另外一方面,为了减低不必要的复杂性,我们决定不用 kernel module 的支持,而把所有需要的东西直接编译到内核的里面。这样编译出来的内核,在一台普通的 586 主板上,把所有必要的功能都加进去,一般也不到 800K 字节。所以,这个办法是可行的。而且减低了 init scripts 的复杂程度。从运行方面来考虑,由于需要的 kernel 代码反正是要装载到内存中的,所以并不会引起内存的浪费。

在我们的目标平台上,我们希望使用 USB 存储设备。还有一点要注意的,就是对 Frame buffer 的支持。这主要是为了支持 XFree86。一般说来,如果我们的显卡是 XFree86 直接支持的,那当然最好,也就不需要 frame buffer 的内核支持。但是如果 XFree86 不支持我们的显卡,我们可以考虑用 VESA 模式。但是 XFree86 的 VESA 卡支持运行起来不太漂亮,还有安全方面的问题,有时在启动和退出 X Window 的时候会出现花屏。所以我们可以采用 kernel 的 vesa 模式的 frame buffer,然后用 xfree86 的 linux frame buffer 的驱动程序。这样一般就看不到花屏的现象了,而且安全方面也没有任何问题。

devfs 也是我们感兴趣的话题。如果 kernel 不使用 devfs,那么系统上的 root 文件系统就要有 /dev 目录下面的所有内容。这些内容可以用 /dev/MAKEDEV 脚本来建立,也可以用 mknod 手工一个一个来建。这个方法有其自身的好处。但是它的缺点是麻烦,而且和 kernel 的状态又并不一致。相反的,如果使用了 devfs,我们就再也不用担心 /dev 目录下面的任何事情了。/dev 目录下面的项目会有 kernel 的代码自己负责。实际使用起来的效果,对内存的消耗并不明显。所以我们选择 devfs。

busybox

有了 LILO 和 kernel image 之后,接下来,我们要安排 root 文件系统。由于 flash 盘的空间只有 16M 字节,可以说,这是对我们最大的挑战。这里首先要向大家介绍小型嵌入式 Linux 系统安排 root 文件系统时的一个常用的利器:BusyBox。

Busybox 是 Debian GNU/Linux 的大名鼎鼎的 Bruce Perens 首先开发,使用在 Debian 的安装程序中。后来又有许多 Debian developers 贡献力量,这其中尤推 busybox 目前的维护者 Erik Andersen,他患有癌症,可是却是一名优秀的自由软件开发者。

Busybox 编译出一个单个的独立执行程序,就叫做 busybox。但是它可以根据配置,执行 ash shell 的功能,以及几十个各种小应用程序的功能。这其中包括有一个迷你的 vi 编辑器,系统不可或缺的 /sbin/init 程序,以及其他诸如 sed, ifconfig, halt, reboot, mkdir, mount, ln, ls, echo, cat ... 等等这些都是一个正常的系统上必不可少的,但是如果我们把这些程序的原件拿过来的话,它们的体积加在一起,让人吃不消。可是 busybox 有全部的这么多功能,大小也不过 100K 左右。而且,用户还可以根据自己的需要,决定到底要在 busybox 中编译进哪几个应用程序的功能。这样的话,busybox 的体积就可以进一步缩小了。

使用 busybox 也很简单。只要建一个符号链接,比方 ln -s /bin/busybox /bin/ls,那么,执行 /bin/ls 的时候,busybox 就会执行 ls 的功能,也会按照 ls 的方式处理命令行参数。又比如 ln -s /bin/busybox /sbin/init,这样我们就有了系统运行不可或缺的 /sbin/init 程序了。当然,这里的前提是,你在 busybox 中编译进去了这两个程序的功能。

这里面要提出注意的一点是,busybox 的 init 程序所认识的 /etc/inittab 的格式非常简单,而且和常规的 inittab 文件的格式不一样。所以读者朋友们在为这个 busybox 的 init 写 inittab 的时候,要注意一下不同的语法。至于细节,就不在我们这里多说了,请大家参考 Busybox 的用户手册。

从启动到进入 shell

busybox 安装好以后,我们就可以考虑重新启动,一直到进入 shell 提示符了。这之前,我们要准备一下 /etc 目录下的几个重要的文件,而且要把 busybox 用到的 library 也拷贝过来。

用 ldd 命令,后面跟要分析的二进制程序的路径名,就可以知道一个二进制程序,或者是一个 library 文件之间的互相依赖关系,比如 busybox 就依赖于 libc.so 和 ld-linux.so ,我们有了这些知识,就可把动手把所有需要的 library 拷贝到 flash 盘上。由于我们的 flash 盘说大不大,说小倒也不小,有 16M 字节之多。我们直接就用 Glibc 的文件也没有太多问题。如果读者朋友们有特殊的需要,觉得 Glibc 太庞大了的话,可以考虑用 uClibc,这是一个非常小巧的 libc 库,功能当然没有 Glibc 全,但是足够一个嵌入式系统使用了。本文就不再介绍 uClibc 了。

库程序拷贝过来以后,我们就可以考虑系统启动的步骤了。启动的时候,先是 lilo,接下来就是 kernel,kernel 初始化之后,就调用 /sbin/init,然后由 init 解释 /etc/inittab 运行各种各样的东西。inittab 会指导 init 去调用一个最重要的系统初始化程序 /etc/init.d/rcS,我们将要在 rcS 中完成各个文件系统的 mount,此外,还有在 rcS 中调用 dhcp 程序,把网络架起来。rcS 执行完了以后,init 就会在一个 console 上,按照 inittab 的指示开一个 shell,或者是开 getty + login,这样用户就会看到提示输入用户名的提示符。我们这里为了简单起见,先直接进入 shell,然后等到调试成功以后,再改成直接进入 X Window。

关于 inittab 的语法,我们上面已经提到过了,希望读者朋友们去查权威的 busybox 的用户手册。这里,我们先要讲一下文件系统的构成情况。

安排文件系统

大家已经看到,我们的 root 文件系统为了避免麻烦,用的是标准的 ext2 文件系统。由于我们的硬盘空间很小,只有不到 16M,而且我们还要在上面放上 X Window,所以,如果我们全部用 ext2 的话,Flash 盘的有限空间会很快耗尽。我们唯一的选择是采用一个适当的压缩文件系统。考虑到 /usr 目录下面的内容在系统运行的时候,是不需要被改写的。我们决定选择只读的压缩文件系统 cramfs 来容纳 /usr 目录下面的全部内容。

cramfs 是 Linus Torvalds 本人开发的一个适用于嵌入式系统的小文件系统。由于它是只读的,所以,虽然它采取了 zlib 做压缩,但是它还是可以做到高效的随机读取。既然 cramfs 不会影响系统读取文件的速度,又是一个高度压缩的文件系统,对于我们,它就是一个相当不错的选择了。

我们首先把 /usr 目录下的全部内容制成一个 cramfs 的 image 文件。这可以用 mkcramfs 命令完成。得到了这个 usr.img 文件之后,我们还要考虑怎样才能在系统运行的时候,把这个 image 文件 mount 上来,成为一个可用的文件系统。由于这个 image 文件不是一个通常意义上的 block 设备,我们必须采用 loopback 设备来完成这一任务。具体说来,就是在前面提到的 /etc/init.d/rcS 脚本的前面部分,加上一行 mount 命令:

mount -o loop -t cramfs /usr.img /usr

这样,就可以经由 loopback 设备,把 usr.img 这个 cramfs 的 image 文件 mount 到 /usr 目录上去了。哦,对了,由于要用到 loopback 设备,读者朋友们在编译内核的时候,别忘了加入内核对这个设备的支持。对于系统今后的运行来说,这个 mount 的效果是透明的。cramfs 的压缩效率一般都能达到将近 50%,而我们的系统上绝大部分的内容是位于 /usr 目录下面,这样一来,原本可能要用到 18M 的 Flash 盘,现在可能只需要 11M 就可以了。一个 14M 的 /usr 目录,给压缩成了仅仅 7M。

上面考虑了压缩问题,下面还要考虑到,Flash 盘毕竟不像普通硬盘,多次的擦写毕竟不太好,所以我们考虑,在需要多次擦写的地方,使用内存来做。这个任务,我们考虑用 tmpfs 来完成。至于 tmpfs 和经典的 ramdisk 的比较,我们这里就不多说了。一般说来,tmpfs 更加灵活一些,tmpfs 的大小不像 ramdisk,可以顺着用户的需要增长或者缩小。我们选择把 /tmp、/var 等几个目录做成 tmpfs。这只需要我们在 /etc/fstab 里面加上两行类似下面的文字就可以了:

none /var tmpfs default 0 0

然后别忘了在 /etc/init.d/rcS 里面靠近开头的地方,加上 mount -a。这样,就可以把 /etc/fstab 里面指定的所有的文件系统都 mount 上来了。

X Window

进行到这里,读者朋友们可能会以为,X Window 的安装可能会很复杂。其实不然,由于我们上面的架子搭好了,X Window 的安装非常简单,只需要把几个关键的程序拷贝过来就可以了。一般说来,只需要 /usr/X11R6 目录下面的 bin 和 lib 两个目录。然后,根据用户各自的需要,还可以做大幅的裁减。比如,如果你的局域网上有一个开放的 xfs 字体服务器的话,你可以把所有本地的字体都删掉,而使用远端的字体服务器。如果只需要运行有限的程序,别忘了把没有用的 library 都删掉。此外,还可以把多余的 X Window 的 driver 都删掉,只保留本机的显示卡所需要的 driver 就可以了。

当然,这一关免不了要做多次测试。

其它技巧

如果你的工作系统式在另外一台机器上,通过局域网和本机互联的话,ssh 是一个不错的工具。此外,ssh 中带的 scp 用起来和普通的 cp 拷贝程序差不多,非常方便。用 ssh 和 scp 来共享文件,远程试验,你就可以不需要在办公室里跑来跑去的了。

如果你需要一个 MS Windows 上运行的 X Server 和 xfs 字体服务器,可以考虑包括在 Red Hat 的 Cygwin 工具箱中的 XFree86 系统。

参考资料

1. BusyBox 的站点:http://www.busybox.net

2. Linux From Scratch,自己动手,从头开始做一个 Linux 系统:http://www.linuxfromscratch.org

3. uClibc 的站点:http://www.uclibc.org

4. Cygwin 的站点:http://www.cygwin.com

关于作者

赵蔚,自由职业者。我的网络日记位于 http://www.advogato.org/person/zhaoway/ 。上面列有我在网络上发表的其它的文章。欢迎读者朋友们来信和我讨论问题。

全文出处:IBM developerWorks 中国网站

 
 
 
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