迷你型的 Linux 系統 (轉貼)

趙蔚 (zhaoway@public1.ptt.js.cn) 自由職業者
本文將帶領大家構建一個迷你型的 Linux 系統。它占用的硬盤空間遠小於 16M 字節，但是卻包括了 XFree86 的 X Window 窗口系統。
目標
本文要構建的這個迷你型的 Linux 系統只能在一台特定的單機上運行，如果讀者朋友們有興趣的話，在這個系統的基礎上加以改進，是可以構建出通用的、可以在大多數常規 PC 機上即插即用的系統來的。但是這已經不在本文的話題之內了，讀者朋友們如果有興趣，可以通過我的電子郵件和我討論其中的細節問題。
我們的目標 Linux 系統運行在一台普通的 Intel 386 PC 機上，可以有硬盤，也可以不要硬盤，而用 Flash Disk 來代替。如果是用 Flash 盤的話，需要能夠支持從 Flash 盤啟動，而且 Flash 盤的大小要在 16M 字節或者以上。我們希望用戶一開機啟動，就直接進入 X Window 圖形界面，運行事先指定好的程序。不需要用戶輸入用戶名和密碼進行登錄。
我們設定的這個目標有點像一個 X Terminal 終端工作站。稍加改進，還可以做成幹脆無盤的形式，也就是說，連 16M 的 Flash 盤也不要了。不過，這也超出了本文的話題了。讀者朋友們如果有興趣，可以來信和我進行討論。
系統啟動
因為我們要考慮從 Flash 盤進行啟動，所以我們選擇用 LILO 作為我們的 Boot Loader，而不選用 GRUB。這是考慮到 GRUB 有較強的對硬盤和文件系統的識別能力，而 Flash 盤到底不是標准的硬盤，並且我們選用的文件系統 GRUB 又不一定認識，搞不好的話 GRUB 反 會弄巧成拙。而 LILO 就簡單的多了，它在硬盤開始的 MBR 寫入一個小程序，這個小程序不經過文件系統，直接從硬盤扇區號，讀出 Kernel Image 裝入內存。這樣，保險系數就大大增加。並且也給了我們自由選用文件系統的餘地。那麼，我們要如何安裝 LILO 呢？
首先，我們要找一塊普通的 800M 左右的 IDE 硬盤，連在目標機器的 IDE 線上。這樣在我們的目標機器上，IDE1 上掛的是 Flash 盤，IDE2 上掛的是一塊工作硬盤。我們用標准的步驟在 IDE2 的標准硬盤上裝上一個 Debian GNU/Linux 系統。當然，如果讀者朋友們手頭沒有 Debian，也可以裝 Red Hat 系統。裝好工作系統之後，要首先做一些裁減工作，把不必要的 Service 和 X Window 等等東西都刪掉。這樣做的目的是增進系統啟動速度，因為我們在後面的工作中，肯定要不停的重新啟動機器，所以啟動速度對我們的工作效率是很關鍵的。
裝好工作系統之後，在 Falsh 盤上做一個 Ext2 文件系統，這個用 mke2fs 這個命令就可以完成。由於 Flash 盤是接在 IDE1 上的，所以在 Linux 裏面，它的身份是 /dev/hda。本文作者在操作的時候，把整個 Flash 盤劃分了一個整個的分區，所以，調用 mke2fs 的時候，處理的是 /dev/hda1。讀者朋友們應該可以直接在 /dev/hda 上做一個 Ext2 文件系統，而不用事先分區。
在 Flash 盤上做好了文件系統之後，就可以把一個編譯好的內核映像文件 vmlinuz 拷貝到 Flash 盤上了。注意，必須要先把這個 vmlinuz 映像文件拷貝到 Flash 盤上，然後才能在 Flash 盤上安裝 LILO。不然的話，LILO 到時候可是會 LILILILI 打結巴的，因為它會找不到 Kernel Image 在 Flash 盤上的位置的，那樣的話 Flash 盤也就啟動不起來了。還有，如果讀者朋友們在 Flash 盤上用的是一個壓縮的文件系統的話，到時候 LILO 也會出問題，它雖然能正確的找到 Kernel Image 在硬盤上的起始位置，但是它卻沒有辦法處理被文件系統重新壓縮過的這個 Kernel Image，不知道該如何把它展開到內存中去。
把 Kernel Image 拷貝過去以後，我們就可以動手編輯一份 lilo.conf 文件，這份文件可以就放在工作系統上就行了。但是注意在 lilo.conf 中索引的文件名的路徑可要寫對。這些路徑名都是在工作系統上看上去的路徑名。比如，如果 Flash 盤 Mount 在 /mnt 目錄下面，那麼，在 lilo.conf 中，vmlinuz 的路徑名就是 /mnt/vmlinuz。注意這一點千萬不要搞錯。不然的話，如果一不小心把工作系統的 LILO 給破壞掉了，那就麻煩了。編輯好了 lilo.conf，然後再運行 lilo 命令，注意，要告訴它用這個新的 lilo.conf 文件，而不要用 /etc/lilo.conf。
安裝好 LILO 之後，我們可以立即重新啟動，測試一下。首先在 BIOS 裏面，設置成從 IDE1 開始啟動，如果我們看到 LILO 的提示符，按回車後還能看到 Kernel 輸出的消息，這就算是 LILO 的安裝成功了。記得這個操作的方法，以後每次我們更新 Flash 盤上的 Kernel Image，都記得要更新 LILO。也就是說，要重新運行一遍 lilo 命令。
編譯內核
試驗成功 LILO 的安裝以後，我們開始考慮編譯一個新的內核。當然，要編譯新的內核，我們首先要進入我們的工作系統。這裏有兩個辦法進入工作系統，一是在 BIOS 裏面設置從 IDE2 啟動，當然，這就要求當初安裝工作系統的時候，要把 LILO 安裝在 /dev/hdb 上；另一個辦法是還是從 IDE1 啟動，不改變 BIOS 的設置，但是在看到 LILO 的提示符的時候，要鍵入 linux root=/dev/hdb1，最前面的 linux 是在 lilo.conf 裏面定義的一個 entry，我們只采用這個 entry 所指定的 Kernel Image，但是用 /dev/hdb1 作為 root 文件系統。兩個辦法可能有的時候一個比另一個好，更方便一些。這就要看具體的情況了。不過，它們的設置並不是互相沖突的。
在編譯內核的時候，由於我們的內核是只有一台機器使用的，所以我們應該對它的情況了如指掌；另外一方面，為了減低不必要的複雜性，我們決定不用 kernel module 的支持，而把所有需要的東西直接編譯到內核的裏面。這樣編譯出來的內核，在一台普通的 586 主板上，把所有必要的功能都加進去，一般也不到 800K 字節。所以，這個辦法是可行的。而且減低了 init scripts 的複雜程度。從運行方面來考慮，由於需要的 kernel 代碼反正是要裝載到內存中的，所以並不會引起內存的浪費。
在我們的目標平台上，我們希望使用 USB 存儲設備。還有一點要注意的，就是對 Frame buffer 的支持。這主要是為了支持 XFree86。一般說來，如果我們的顯卡是 XFree86 直接支持的，那當然最好，也就不需要 frame buffer 的內核支持。但是如果 XFree86 不支持我們的顯卡，我們可以考慮用 VESA 模式。但是 XFree86 的 VESA 卡支持運行起來不太漂亮，還有安全方面的問題，有時在啟動和退出 X Window 的時候會出現花屏。所以我們可以采用 kernel 的 vesa 模式的 frame buffer，然後用 xfree86 的 linux frame buffer 的驅動程序。這樣一般就看不到花屏的現象了，而且安全方面也沒有任何問題。
devfs 也是我們感興趣的話題。如果 kernel 不使用 devfs，那麼系統上的 root 文件系統就要有 /dev 目錄下面的所有內容。這些內容可以用 /dev/MAKEDEV 腳本來建立，也可以用 mknod 手工一個一個來建。這個方法有其自身的好處。但是它的缺點是麻煩，而且和 kernel 的狀態又並不一致。相反的，如果使用了 devfs，我們就再也不用擔心 /dev 目錄下面的任何事情了。/dev 目錄下面的項目會有 kernel 的代碼自己負責。實際使用起來的效果，對內存的消耗並不明顯。所以我們選擇 devfs。
busybox
有了 LILO 和 kernel image 之後，接下來，我們要安排 root 文件系統。由於 flash 盤的空間只有 16M 字節，可以說，這是對我們最大的挑戰。這裏首先要向大家介紹小型嵌入式 Linux 系統安排 root 文件系統時的一個常用的利器：BusyBox。
Busybox 是 Debian GNU/Linux 的大名鼎鼎的 Bruce Perens 首先開發，使用在 Debian 的安裝程序中。後來又有許多 Debian developers 貢獻力量，這其中尤推 busybox 目前的維護者 Erik Andersen，他患有癌症，可是卻是一名優秀的自由軟件開發者。
Busybox 編譯出一個單個的獨立執行程序，就叫做 busybox。但是它可以根據配置，執行 ash shell 的功能，以及幾十個各種小應用程序的功能。這其中包括有一個迷你的 vi 編輯器，系統不可或缺的 /sbin/init 程序，以及其他諸如 sed, ifconfig, halt, reboot, mkdir, mount, ln, ls, echo, cat ... 等等這些都是一個正常的系統上必不可少的，但是如果我們把這些程序的原件拿過來的話，它們的體積加在一起，讓人吃不消。可是 busybox 有全部的這麼多功能，大小也不過 100K 左右。而且，用戶還可以根據自己的需要，決定到底要在 busybox 中編譯進哪幾個應用程序的功能。這樣的話，busybox 的體積就可以進一步縮小了。
使用 busybox 也很簡單。只要建一個符號鏈接，比方 ln -s /bin/busybox /bin/ls，那麼，執行 /bin/ls 的時候，busybox 就會執行 ls 的功能，也會按照 ls 的方式處理命令行參數。又比如 ln -s /bin/busybox /sbin/init，這樣我們就有了系統運行不可或缺的 /sbin/init 程序了。當然，這裏的前提是，你在 busybox 中編譯進去了這兩個程序的功能。
這裏面要提出注意的一點是，busybox 的 init 程序所認識的 /etc/inittab 的格式非常簡單，而且和常規的 inittab 文件的格式不一樣。所以讀者朋友們在為這個 busybox 的 init 寫 inittab 的時候，要注意一下不同的語法。至於細節，就不在我們這裏多說了，請大家參考 Busybox 的用戶手冊。
從啟動到進入 shell
busybox 安裝好以後，我們就可以考慮重新啟動，一直到進入 shell 提示符了。這之前，我們要准備一下 /etc 目錄下的幾個重要的文件，而且要把 busybox 用到的 library 也拷貝過來。
用 ldd 命令，後面跟要分析的二進制程序的路徑名，就可以知道一個二進制程序，或者是一個 library 文件之間的互相依賴關系，比如 busybox 就依賴於 libc.so 和 ld-linux.so ，我們有了這些知識，就可把動手把所有需要的 library 拷貝到 flash 盤上。由於我們的 flash 盤說大不大，說小倒也不小，有 16M 字節之多。我們直接就用 Glibc 的文件也沒有太多問題。如果讀者朋友們有特殊的需要，覺得 Glibc 太龐大了的話，可以考慮用 uClibc，這是一個非常小巧的 libc 庫，功能當然沒有 Glibc 全，但是足夠一個嵌入式系統使用了。本文就不再介紹 uClibc 了。
庫程序拷貝過來以後，我們就可以考慮系統啟動的步驟了。啟動的時候，先是 lilo，接下來就是 kernel，kernel 初始化之後，就調用 /sbin/init，然後由 init 解釋 /etc/inittab 運行各種各樣的東西。inittab 會指導 init 去調用一個最重要的系統初始化程序 /etc/init.d/rcS，我們將要在 rcS 中完成各個文件系統的 mount，此外，還有在 rcS 中調用 dhcp 程序，把網絡架起來。rcS 執行完了以後，init 就會在一個 console 上，按照 inittab 的指示開一個 shell，或者是開 getty + login，這樣用戶就會看到提示輸入用戶名的提示符。我們這裏為了簡單起見，先直接進入 shell，然後等到調試成功以後，再改成直接進入 X Window。
關於 inittab 的語法，我們上面已經提到過了，希望讀者朋友們去查權威的 busybox 的用戶手冊。這裏，我們先要講一下文件系統的構成情況。
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安排文件系統
大家已經看到，我們的 root 文件系統為了避免麻煩，用的是標准的 ext2 文件系統。由於我們的硬盤空間很小，只有不到 16M，而且我們還要在上面放上 X Window，所以，如果我們全部用 ext2 的話，Flash 盤的有限空間會很快耗盡。我們唯一的選擇是采用一個適當的壓縮文件系統。考慮到 /usr 目錄下面的內容在系統運行的時候，是不需要被改寫的。我們決定選擇只讀的壓縮文件系統 cramfs 來容納 /usr 目錄下面的全部內容。
cramfs 是 Linus Torvalds 本人開發的一個適用於嵌入式系統的小文件系統。由於它是只讀的，所以，雖然它采取了 zlib 做壓縮，但是它還是可以做到高效的隨機讀取。既然 cramfs 不會影響系統讀取文件的速度，又是一個高度壓縮的文件系統，對於我們，它就是一個相當不錯的選擇了。
我們首先把 /usr 目錄下的全部內容制成一個 cramfs 的 image 文件。這可以用 mkcramfs 命令完成。得到了這個 usr.img 文件之後，我們還要考慮怎樣才能在系統運行的時候，把這個 image 文件 mount 上來，成為一個可用的文件系統。由於這個 image 文件不是一個通常意義上的 block 設備，我們必須采用 loopback 設備來完成這一任務。具體說來，就是在前面提到的 /etc/init.d/rcS 腳本的前面部分，加上一行 mount 命令：
mount -o loop -t cramfs /usr.img /usr
這樣，就可以經由 loopback 設備，把 usr.img 這個 cramfs 的 image 文件 mount 到 /usr 目錄上去了。哦，對了，由於要用到 loopback 設備，讀者朋友們在編譯內核的時候，別忘了加入內核對這個設備的支持。對於系統今後的運行來說，這個 mount 的效果是透明的。cramfs 的壓縮效率一般都能達到將近 50%，而我們的系統上絕大部分的內容是位於 /usr 目錄下面，這樣一來，原本可能要用到 18M 的 Flash 盤，現在可能只需要 11M 就可以了。一個 14M 的 /usr 目錄，給壓縮成了僅僅 7M。
上面考慮了壓縮問題，下面還要考慮到，Flash 盤畢竟不像普通硬盤，多次的擦寫畢竟不太好，所以我們考慮，在需要多次擦寫的地方，使用內存來做。這個任務，我們考慮用 tmpfs 來完成。至於 tmpfs 和經典的 ramdisk 的比較，我們這裏就不多說了。一般說來，tmpfs 更加靈活一些，tmpfs 的大小不像 ramdisk，可以順著用戶的需要增長或者縮小。我們選擇把 /tmp、/var 等幾個目錄做成 tmpfs。這只需要我們在 /etc/fstab 裏面加上兩行類似下面的文字就可以了：
none /var tmpfs default 0 0
然後別忘了在 /etc/init.d/rcS 裏面靠近開頭的地方，加上 mount -a。這樣，就可以把 /etc/fstab 裏面指定的所有的文件系統都 mount 上來了。
X Window
進行到這裏，讀者朋友們可能會以為，X Window 的安裝可能會很複雜。其實不然，由於我們上面的架子搭好了，X Window 的安裝非常簡單，只需要把幾個關鍵的程序拷貝過來就可以了。一般說來，只需要 /usr/X11R6 目錄下面的 bin 和 lib 兩個目錄。然後，根據用戶各自的需要，還可以做大幅的裁減。比如，如果你的局域網上有一個開放的 xfs 字體服務器的話，你可以把所有本地的字體都刪掉，而使用遠端的字體服務器。如果只需要運行有限的程序，別忘了把沒有用的 library 都刪掉。此外，還可以把多餘的 X Window 的 driver 都刪掉，只保留本機的顯示卡所需要的 driver 就可以了。
當然，這一關免不了要做多次測試。
其它技巧
如果你的工作系統式在另外一台機器上，通過局域網和本機互聯的話，ssh 是一個不錯的工具。此外，ssh 中帶的 scp 用起來和普通的 cp 拷貝程序差不多，非常方便。用 ssh 和 scp 來共享文件，遠程試驗，你就可以不需要在辦公室裏跑來跑去的了。
如果你需要一個 MS Windows 上運行的 X Server 和 xfs 字體服務器，可以考慮包括在 Red Hat 的 Cygwin 工具箱中的 XFree86 系統。
參考資料
1. BusyBox 的站點：http://www.busybox.net2. Linux From Scratch，自己動手，從頭開始做一個 Linux 系統：http://www.linuxfromscratch.org3. uClibc 的站點：http://www.uclibc.org4. Cygwin 的站點：http://www.cygwin.com
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