--------------------------------------------------------------------------
標題：[OS Project-1] 親手打造 Floppy Linux 環境
作者：黃敬群，國立成功大學資訊工程系
文件版次：0.1
最後修訂日期：Nov 14, 2001
版權聲明：允許在保留作者出處及本聲明之前提下，以任何人類可讀之形式自由散佈
--------------------------------------------------------------------------
[OS Project-1] 親手打造 Floppy Linux 環境
黃敬群
■ 前言
撰寫本文的目的，就是希望能夠將筆者自行製作的 Floppy-Linux Distro (目前版本為
0.2pre2) 是如何一步一步建構出來，透過書面紀錄的方式，從最簡單的「開機片」，
逐漸修改製作方式、植入若干工具，到討論改進方式等體驗「親手打造」的過程，對需
要製作包含常用工具之 Rescue Disk 者，或是有心從事 embedded Linux 者，如此的建
構過程或許能提供些幫助。本文以 [如何製作簡易 Floppy Liunx] 一文為主軸，輔以各
種延伸功能 (如網路、editor 等) 進行擴充。因才疏學淺之故，諸多謬誤在所難免，還
請不吝指正。
■ 讀者背景
1. 對 UNIX 指令稍有涉獵
2. 曾經親手編譯過 Linux Kernel
■ 開機過程簡述
尚未提及如可製作 Floppy Linux 前，首先要瞭解整個系統開機的過程，為了普及性，
這邊以最容易取得的 PC 個人電腦討論對象，處理器是 Intel 80486 以上等級。
當啟動電源之際，電腦的 BIOS 就會找尋有無系統開機磁片，此時會有兩種狀況產生：
第一種狀況：找到系統開機磁片 --
此時就會從系統開機磁片中的第 0 磁區、第 0 磁柱載入可開機磁區
另一種狀況：找不到系統開機磁片 --
BIOS 就會找尋硬碟的 MBR (Master Boot Record)，並且執行記錄在 MBR 上
的開機載入程式 (Boot Loader) 進行開機
無論是從軟碟開機也好，還是從硬碟開機也好，首先 OS Loader (就 Linux 來講就可
能是 LILO -- LInux LOader) 會載入 Linux Kernel，而 Kernel 一旦起動後，第一件
事就是切入保護模式 (protected mode)，此時，所有的硬體交由 Kernel 來控制，也
意味掙脫 BIOS 的羈絆。
當 Kernel 載入完畢後，便開始初始化系統所有硬體設備。而當所有的硬體初始化的動
作也告完成之際，系統將嘗試掛載 (mount) root filesystem。Root filesystem 就是
被掛上當作 "/" 目錄的 filesystem (以下簡稱 fs)，當然，如果無法正確 mount 上
root fs，巧婦難為無米之炊的 Linux Kernel 也只好秀個訊息：
VFS: Unable to mount root fs on XXX
然後就會停止運作 (halt)，這邊的 XXX 是指那種 fs，這部份的訊息，可以參考 kernel
source 中 fs/super.c 的程式碼。
當 root filesystem 成功的掛載後，就會去執行 init 這個程式。
init 會檢查 /etc/inittab，找出該檔中標明 sysinit 這一行，並執行該 script，在
Redhat Linux 上為 rc.sysinit，於是 rc.sysinit 肩負系統的初始化的大任，不外乎
有以下任務：
. 呼叫 /sbin/initlog 紀錄系統初始化過程
. 設定 path、hostname 等資訊
. banner 畫面：一般我們看到 "Welcome to RedHat Linux" 的訊息
. Mount /proc
. Load system font
. Configure kernel parameters
. Set the system clock
. Load keymap
. Start up swapping、turn on swap
. Remount the root filesystem read-write、Clear mtab
. Finding module dependencies、Load modules
. Check filesystems
當 rc.sysinit 執行完畢，控制權立即移轉回 init 手中，進入預設 runlevel：
. 若內定的 runlevel 為 3：
init 執行 /sbin/mingetty 啟動 virtual console，並且以 "login：" 提示讓使
用者登入，以完成開機。登入後系統會提供一個 shell 給使用者，就可以使用
Linux 。
. 若 runlevel 為 5：
在開啟 virtual console 後，init 會再執行 xdm 啟動 X window system，讓使
用者以 xdm 界面登入。
以上就是 Linux 開機的過程。
■ 起點：開機片
Floppy Linux 的製作方式相當多，在不訴諸商業 Embedded Linux Toolkit (如
BlueCat 等) 的情況下，可由 Linux Distribution 內提供製作 Boot/Rescure Disk 的
script 下手。筆者以手頭這台安裝 Mandrake Linux 8.0的例子來說，就是
/sbin/mkbootdisk，請以 root 身份執行：
# /sbin/mkbootdisk
可看到使用方式：
usage: mkbootdisk [--version] [--noprompt] [--mkinitrdargs ]
[--appendargs ] [--device ]
[--verbose -v] [--compact]
(ex: mkbootdisk --device /dev/fd1 2.0.31)
依據指示 [Press to continue]，不消多久就建構出一個 Floppy Linux，咱們
來看看這張 floppy 有什麼內容：
# mount -t ext2 /dev/fd0 /mnt/floppy/
# tree /mnt/floppy/
/mnt/floppy/
|-- boot
| |-- boot.021C
| |-- boot.b
| |-- map
| `-- message ========> LILO 啟動後秀出的訊息
|-- dev
| |-- fd0H1440
| `-- hda6
|-- etc
| `-- lilo.conf =========> lilo 組態設定
|-- initrd.img =========> initrd image
|-- lost+found
`-- vmlinuz-2.4.3-20mdk =========> Linux Kernel
回顧 [開機過程簡述] 一節所提，開機片的啟動過程如下：
BIOS --> LILO --> Kernel --> init --> linuxrc --> mount Hard Disk
(root fs)
mount 上 Hard Disk (筆者的系統是 hda6) 後，控制權就交給硬碟中的 Linux，這片
開機片也功成身退。
接著，讓我們一步接一步的探究，首先對 lilo 開刀：
# cat /mnt/floppy/etc/lilo.conf
boot=/dev/fd0H1440
timeout=100
message=/boot/message
prompt
image=/vmlinuz-2.4.3-20mdk
label=linux
root=/dev/hda6
append=""
initrd=/initrd.img
initrd.img 立刻吸引我們的目光，這是由 mkinitrd 工具程式所建構。以 Mandrake
Distribution 內附的 Linux Kernel (vmlinuz-2.4.3-20mdk) 來說，算是「一般化的
kernel」，裡頭並不包含任何 SCSI 卡、CD-ROM，或是其他的驅動程式，而在必要時，
才以 module 方式載入上述驅動程式，如此的需求，mkinitrd 就因應而生，mkinitrd
會自動載入 /etc/conf.modules 檔案裡的的設定項目，如此一來，便能方便地讓
kernel 管理 module 形式的驅動程式。
initrd 可以在載入核心前就先載入 RAM disk，也可載入壓縮過的檔案系統檔，如果您
留意 Linux Distribution 安裝的過程中，有 [Rescue] 的選項，就是提供 rescue.gz
這個壓縮過的檔案系統檔 (可以在安裝光碟中找到)，裡面包含些工具程式。
我們可以由此當作出發點，稍微修改，使開機片脫離 Hard Disk 的牽連：大體上，只
要想辦法讓 kernel 能載入 rescue.gz 進 RAMDisk 再 mount 成 root fs 就行了。根
據 initrc 的文件, 要在 initrd 的 /linuxrc 內寫入這個程序
首先，修改開機片的 lilo.conf 檔，指示 kernel 把 RAMDisk 當 root，並以 Read-
write 模式掛上(不然 kernel 不會 re-mount)
# cat /mnt/floppy/etc/lilo.conf
boot=/dev/fd0H1440
message=./boot/message
delay=0
initrd=rescue.gz =======> 第一處修改：initrd
image=vmlinuz =======> 換成光碟中的 Kernel，這樣整個系統才
放得下)
label=linux
ramdisk=49152 =======> 指定 RAMDisk 大小
root=/dev/ram =======> 把 root fs 指定為 /dev/ram
迫不及待想來測試吧，實驗結果可以發現，的確可以載入 rescue.gz，也執行了
/linuxrc，但卻無法 mount root fs，why?
原因很簡單，initrd 其實並非在 /dev/ram 之上，在它出現時並沒有載入核心, 所以
根本沒有 device file，更別說要 mount 了，如何解決呢？其實不難，善用 mkfs、
cp 等指令，並且寫進 /linuxrc 中：
# cat /mnt/floppy/linuxrc
#!/bin/sh
echo "Making RAM Disk..."
/sbin/mkfs.minix /dev/ram 1440 =======> 採用 Minix 的 fs，可以增加使用容量
echo "Duplicating disk..."
/bin/mount -t minix /dev/ram /mnt
/bin/mkdir /mnt/mnt
/bin/cp -afx bin boot cdrom dev etc lib proc root sbin tmp usr var /mnt
/bin/umount /mnt
注意到上面，我們採用 Minix fs，由於 Minix fs 設計上比 ext2 簡易許多，相對來說
，所佔的空間就比採用 ext2 fs 小多了，但是，為了符合此需求，Kernel 必須重新編
譯，在 [File System] 項目要加選 [Minix File System]。
就這樣，一片不折不扣的 Floppy Linux 於是生焉，啟動後，就可以利用原本 Rescue
Disk 上的工具，進行操作，不過呢，此時的我們，頂多動到 OS Loader 以及 Booting
程序，其他如 root fs 的建構還是沒有太大的斬獲。
在下一個小節，我們要來實作 Floppy Linux 其他項目。
■ 進化：簡易版 Floppy Linux
在此必須說明本節的目標：製作的簡易版 Floppy Linux，是一個功能非常精簡的 Linux
，只支援軟碟、並不支援硬碟及光碟，沒有網路功能，可以執行簡單的 shell 程式及一
些常用的工具程式。
接下來，你應該準備一些發展 Floopy Linux 的 source package 及工具程式有：
. Linux Kernel source
. BuzyBox [匯集常用 UNIX 指令於單一執行檔的工具集]
. syslinux [Linux Kernel Loader，可以讀取 FAT 及 Ext2 fs]
於是，這個 Floppy Linux 的開機過程與上述開機過程稍有不同：將 LILO 更換成
syslinux、開機完之後直接提供一個 shell 給使用者用，其完整開機方式如下：
BIOS --> Syslinux --> Kernel --> init --> shell
首先，必須針對我們的 Floppy Linux 來量身製作它所屬 Kernel，最好也把所需的
driver make 進核心中，如下：
# make xconfig
# make dep
# make bzImage
Kernel 建構完畢後，我們還需要一些常用的工具程式，兼具便利與低容量使用，
Busybox 是個不錯的選擇。
在此對這個大名鼎鼎 BusyBox 簡單的介紹一下：BusyBox 它包含了七十多種 Linux 上
標準的工具程式，只需要的磁碟空間僅僅幾百 k (視所選擇工具程式的數目來決定大小
)，在嵌入式 系統上常用到它 (例如 Linux Router Project 和 Debian boot floppy
就使用到它)，可在
http://busybox.lineo.com
找到參考資料及下載，同時，Busybox 是由 Lineo, Inc 這家嵌入式系統廠商所贊助的
Open Source tool。
而，Busybox 為何能夠佔有如此小的容量，卻能提供為數不少的常用工具呢？這訣竅在
於 busybox 在編譯後，雖然整體只是一個執行檔，卻可以透過 symbolic link 的方式
，將常用指令 (Busybox 的術語是 "applet") 「連」到 busybox 這個執行檔上，如：
# tree bin/
.
|-- ash
|-- busybox <===========================\
|-- cat -> busybox ----------------|
|-- chgrp -> busybox ----------------|
|-- chmod -> busybox ----------------|
|-- chown -> busybox ----------------|
|-- cp -> busybox ----------------|
|-- date -> busybox
|-- df -> busybox
|-- dmesg -> busybox
|-- echo -> busybox
|-- false -> busybox
|-- fdflush -> busybox
|-- grep -> busybox
[後略]
如我們所見，cat、chgrp、chown、... 都被 symbolic link 到 busybox，那，要如何
運作呢？
咱們翻開 busybox 的 source 片段來看：(busybox.c)
int main(int argc, char **argv)
{
const char *s;
for ( s = applet_name = argv[0]; *s != '\0'; ) {
if ( *s++ == '/' )
applet_name = s; /* 取得 applet 名稱 */
}
run_applet_by_name( applet_name, argc, argv ); /* applet 進入點 */
error_msg_and_die( "applet not found" );
}
想必您一定會說：「啊哈，原來就是這麼一回事」，複習一下 C 語言，main(int argc,
char **argv) 的引數中，argv[0] 是什麼呢？就是「執行時期的名稱」，換言之，就是
cp、cat、chown 等等，確定使用者所下的指令後，就丟給 run_applet_by_name() 這個
執行引擎去跑，示意圖如下：
something(我們的指令) ---------\
| cp
buzybox <----------------------/ /
/---mv
1. 辨識 applet 名稱 |
2. 丟進 run_applet_by_name() 去跑 ===> +-mkdir
|
透過功能共用的方式，不僅可以共享相似的副程式 (function)，更減少重複 link 的負
擔，於是乎，不需要替每個指令都製造新的執行檔，只需要在 busybox 中撰寫 applet
的功能即可，大幅縮小空間佔有量。
嗯，接著趕緊建立出一個靜態連結的 BusyBox (Floppy Linux 這個例子用到了 init、
ls、cp、cat、mount、umount、more、ps、sh)，之所以要編譯成靜態連結的原因，就是
不希望 Floppy Linux 使用到 glibc 而增加磁碟的使用空間。
以下為建立 BusyBox 的步驟：
# tar zxvf busybox-0.51.tar.gz
修改 Makefile 中的 DOSTATIC 參數，從 false 改為 true
# make
到現在為止，我們已經有了 Liunx kernel 及一些常用的工具程式，似乎還少了 root
filesysem，所以進入打造迷你的 root fs 的步驟。在開始建造 root fs 之前，必須
成為 super uesr 也就是 root，因為接下來必須要用到 mknod 不得不為 root。
首先，為 root fs 建一個目錄叫做 floppy-linux，然後進入 floppy-linux 目錄內：
# mkdir floppy-linux
# cd floppy-linux
再來為 root filesystem 建立一些標準的目錄：
# mkdir dev etc etc/rc.d bin proc mnt tmp var
# chmod 755 dev etc etc/rc.d bin mnt tmp var
# chmod 555 proc
# ln -s sbin bin
進入 /dev 目錄下建立一般終端機設備：
# cd dev
# mknod tty c 5 0
# mkdir console c 5 1
# chmod 666 tty console
接著建立 VGA Display 虛擬終端機設備：
# mknod tty0 c 4 0
# chmod 666 tty0
再建立 RAM disk 設備：
# mknod ram0 b 1 0
# chmod 600 ram
建立 floppy 設備：
# mknod fd0 b 2 0
# chmod 600 fd0
最後在建立 null 設備：
# mknod null c 1 3
# chmod 666 null
擁有 fs 的框架後，現在開始編輯有關的 shell srcipt。我們先從 /etc/inittab 這
一支 script 下手，因為我們用的是 BusyBox 上的 init，與一般所使用的 init 不太
一樣，會先執行 /etc/init.d/rcS 而非 /etc/rc.d/rc.sysinit，為了做出來的 Floppy
Linux 架構與 Redhat 的架構一樣，所以修改了 BusyBox 中的 init.c 。底下是修到的
部分內容：
#ifndef INIT_SCRIPT
#define INIT_SRCIPT "/etc/rc.d/rc.sysinit"
#endif
請進入到 /floppy-linux/etc/rc.d 這個目錄下編輯 inittab ，內容如下：
::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
::askfirst:/bin/sh
修改 inittab 的權限：
# chmod 644 inittab
編輯好 rc.sysinit 之後，緊接著就是編輯 /floppy-linux/etc/rc.d 底下的
rc.sysinit，其內容如下：
#!/bin/sh
mount -a
變更其權限：
# chmod 755 rc.sysinit
再來在編輯 /floppy-linux/etc/ 底下的 fstab ， fstab 內容如下：
proc /proc proc defaults 0 0
修改 fstab 權限：
# chmod 644 fstab
完成上述編輯之後，就要把靜態連結版的 BusyBox 搬到 /floppy-linux/bin 下，並做出
所需要的工具程式的連結符號，其步驟為下：
# cd /floppy-linux/bin
# cp /busybox-0.51/busybox ./init
# ln -s init ls
# ln -s init cp
# ln -s init mount
# ln -s init umount
# ln -s init more
# ln -s init ps
# ln -s init sh
到這裡為止，可以說 floppy-linux 的 root fs 已經製作完畢，不過，一般來說，我們
會採取 RAM Disk 的方式實現。為什麼呢？從前面 [起點：開機片] 的經驗可以得知，
如果我們採取 ramdisk 的方式，而非實體 (physical) 存在於儲存媒體 (當然這裡是指
floppy) 中，那麼，我們甚至可以進一步壓縮這個 ramdisk image，以便放置更多附加
功能。如此一來，整個系統的規劃就變成：
|------------------| \
|Kernel Loader | |
|------------------| |
| Linux Kernel | +-- floppy image
|------------------| |
| | | 透過 Kernel Loader 的協助，傳遞給 Kernel
| RAM Disk Image ===================================\ 變成
| | | ||
|------------------| / ||
||
||
/ \ ||
|-- bin | ||
|-- boot | ||
|-- dev | ||
|-- etc | ||
|-- home | ||
|-- lib +=================================
|-- mnt |
|-- proc | Kernel mount 上 ramdisk，成為 root fs
|-- root |
|-- sbin |
|-- tmp |
|-- usr |
`-- var /
不過呢，這樣的設計雖然多了不少彈性，卻也付出些代價：必須騰出兩倍於 floppy 容
量的記憶體，用來置放解壓縮後的 RAM Disk。當然，就 PC 來說，動輒幾百麥加 (喔，
是 "Mega" 的意思) 的記憶體容量早已司空見慣，但是考量到日後的平台如 PDA、手機
，甚至更小的嵌入式裝置，不得不僅慎行之。
現在，我們就來製作 ram disk ，其方法如下：
# dd if=/dev/zero of=/tmp/tmp_loop bs=1k count=2048
# losetup /dev/loop0 /tmp/tmp_loop
# mke2fs -m 0 /dev/loop0
# mount -t ext2 /dev/loop0 /mnt
# cp -a /floppy-linux /mnt
# umount /mnt
# losetup -d /dev/loop0
# dd if=/tmp/tmp_loop | gzip -9 > /tmp/Image.gz
# rm -f /tmp/tmp_loop
# sync
此時，可以在 /tmp 底下發現 Image.gz 這個檔案，這就是 ram disk 影像檔，當然啦
，假如經常修改 root fs 的內容，大可將上述步驟寫成一支 shell srcipt，省下無謂
的時間浪費。
到目前為止，我們已經完成製作 floppy-linux 的準備，接下來，就將我們努力的成果
擺入 floppy。我們的 floppy-linux 的 loader 為 syslinux ，所以先要準備好
syslinux。首先，將空白的磁片格式化，然後載入 sysliunux，步驟如下：
# mkdosfs /dev/fd0
# syslinux /dev/fd0
完成上述步驟之後，請編輯 syslinux 的組態檔 syslinux.cfg，其 syslinux.cfg 內容
如下：
TIMEOUT 20
DEFAULT linux
LABEL linux
KERNEL linux
APPEND root=/dev/ram0 initrd=Image.gz
然後將 syslinux.cfg、kernel、Image.gz 拷貝到磁片中：
# mount -t msdos /dev/fd0 /mnt
# cp /usr/src/linux/arch/i386/boot/zImage /mnt/linux
# cp /tmp/Image.gz /mnt
# cp syslinux.cfg /mnt
嗯，大功告成！此時你會發現到我們的 Floppy Linux 的大小竟然只有幾百 k 呢，還不
賴，初試啼聲就有此表現 (據卡內基訓練的說法，適時給自己一點鼓勵，可以激發更多
的成就)，現在可以測試親手打造的 Floopy Linux 唷。
■ 反省：進步的機會
剛剛提到 BusyBox 這個相當著名的解決方案，以及其背後的贊助公司：Lineo，事實上
，Lineo 在 Embedded Linux 界提供不少 Open Source 的高品質產品，可以參考網頁：
http://opensource.lineo.com/
我們將會注意到 [Project List] 下方的幾個項目：
. BusyBox
. TinyLogin
. uClibc
. udhcp
除了第一項 BusyBox 已經提過外，其他軟體專案計畫，我們會將逐一探討，並且試圖整
合進入咱們的 Floppy Linux 中。
首先看到 uClibc (發音：micro-controller lib-c) 這個專案：
* uClibc is a C library for embedded systems. You can actually
statically link a "Hello World" application under x86 that only
takes 4k (as opposed to 200k under GNU libc). Some features are
still a work in progress, but for many things, this is a very
sensible choice.
URL> http://uclibc.org/uClibc.html
簡單來說，在 UNIX 環境，C 語言幾乎成為母語，而一般的 Linux Distribution 中，C
Library 大多是 GNU 的實作 -- glibc，但是隨著 i18n 的廣泛支援、security 的加強
、對 POSIX 的相容性、... 等等歷史因素，glibc 已經龐大以麥加 (mega) 來計算了。
相對來說，embedded system 幾乎都是「量身打造」、「具體而微」，上述 glibc 相當
不適合，尤其版本越新，包袱越重
■ 疑難排除
Q: 您所提及的工具程式，在我的 Linux 上沒找到，怎麼辦？
A:
Linux 最棒的特色就是從 Kernel、Library，到上面的 Application 都可以修改，
您大可自己抓 source 慢慢編，或是到 http://rpmfind.net/ 找所需要的 RPM 來
裝。例如，前面提及的 genromfs 這個工具，如果恰好並未預先安置於 Linux 系統
中，利用 Rpmfind 的 search 功能，就可以找到為數不少的套件，選擇適合者安裝
即可
-----------------------
補充﹕
對了，我忘記說明，文章第一段提到這個 Floppy-Linux 發展到 0.2 pre，卻
沒有附上該 image，實在是我的過錯，所以我補上該 link：
http://ccns.ncku.edu.tw/~jimchyun/floppy/flinux.tgz
之前還加入些 fancy 的效果，快照如以下：
http://ccns.ncku.edu.tw/~jimchyun/floppy/screenshot/floppy1.jpg
http://ccns.ncku.edu.tw/~jimchyun/floppy/screenshot/floppy2.jpg
事實上，我在我的 O.S. 專題還有花上若干篇幅介紹 udhcp、uClibc、uCLinux、
syslinux、busybox、TinyLogin、... 等，不過因為那部份是我 partner 寫的，
剛剛找了一段時間，發現我們的報告已經不見，否則應該可以連貫起來的。
1 則留言:
張貼留言