8 Buildroot 根文件系统构建

一、根文件系统简介

根文件系统一般也叫做 rootfs，这个是属于 Linux 内核的一部分。

根文件系统首先是一种文件系统，该文件系统不仅具有普通文件系统的存储数据文件的功能，但是相对于普通的文件系统，它的特殊之处在于，它是内核启动时所挂载（mount）的第一个文件系统，内核代码的映像文件保存在根文件系统中，系统引导启动程序会在根文件系统挂载之后从中把一些初始化脚本（如rcS,inittab）和服务加载到内存中去运行。我们要明白文件系统和内核是完全独立的两个部分。在嵌入式中移植的内核下载到开发板上，是没有办法真正的启动Linux操作系统的，会出现无法加载文件系统的错误。

二、buildroot

Buildroot 是 Linux 平台上一个开源的嵌入式 Linux 系统自动构建框架，用交叉编译生成 Linux 系统。整个Buildroot 是由 Makefile 脚本和 Kconfig 配置文件构成的。

1. buildroot 源码下载

官方网站：Buildroot - 让嵌入式 Linux 变得简单

由于我的 Ubuntu 版本较低，所以用正点推荐的 2020.02.6 版本。

2. buildroot 构建根文件系统

① 配置 buildboot

先把 buildroot-2020.02.6.tar.bz2 拷贝到 Ubuntu 的 linux/tool 路径下。解压命令如下：

tar -vxjf buildroot-2020.02.6.tar.bz2

buildroot 也支持图形化配置：

make menuconfig

1、配置 Target options

需要配置的项目和其对应的内容如下(“=”号后面是配置项要选择的内容！ )：

-> Target Architecture = ARM (little endian)
-> Target Binary Format = ELF
-> Target Architecture Variant = cortex-A7
-> Target ABI = EABIhf
-> Floating point strategy = NEON/VFPv4
-> ARM instruction set = ARM

# 目标架构：ARM
# 目标二进制格式：ELF
# 目标架构变体：cortex-A7
# 目标ABI：EABIhf
# 浮点策略：NEON/VFPv4
# ARM指令集：ARM

2、配置 Toolchain

此配置项用于配置交叉编译工具链，也就是交叉编译器，这里设置为我们自己所使用的交叉编译器即可。需要配置的项目和其对应的内容如下：

Toolchain
    -> Toolchain type = External toolchain
    -> Toolchain = Custom toolchain // 用户自己的交叉编译器
    -> Toolchain origin = Pre-installed toolchain // 预装的编译器
    -> Toolchain path = /usr/local/arm/gcc-arm-9.2-2019.12-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf
    -> Toolchain prefix = $(ARCH) -none-linux-gnueabihf 
    -> External toolchain gcc version = 9.x
    -> External toolchain kernel headers series = 4.20.x // 交叉编译器的 linux 版本号
    -> External toolchain C library = glibc/eglibc
    -> [*] Toolchain has SSP support? (NEW)
    -> [*] Toolchain has RPC support? (NEW) 
    > [*] Toolchain has C++ support? 
    -> [*] Enable MMU support (NEW)
    
# 工具链类型：外部工具链
# 工具链：自定义工具链
# 工具链来源：预安装的工具链
# 工具链路径：/usr/local/arm/gcc-arm-9.2-2019.12-x86_64-arm-none-linuxgnueabihf
# 工具链前缀：$(ARCH)-none-linux-gnueabihf
# 外部工具链gcc版本：9.x
# 外部工具链内核头文件系列：4.20.x
# 外部工具链C库：glibc/eglibc
# 工具链是否支持SSP（堆栈保护）：选中
# 工具链是否支持RPC：选中
# 工具链是否支持C++：选中
# 是否启用MMU支持：选中

3、配置 System configuration

此选项用于设置一些系统配置，比如开发板名字、欢迎语、用户名、密码等。需要配置的项目和其对应的内容如下：

System configuration
    -> System hostname = ATK-stm32mp1 // 平台名字
    -> System banner = Welcome Lxs // 欢迎语
    -> Init system = BusyBox // 使用 busybox
    -> /dev management = Dynamic using devtmpfs + mdev // 使用 mdev
    -> [*] Enable root login with password (NEW) // 使能登录密码
        -> Root password = 147258 // 登录密码

# 可以设置密码，但是每次重启都要输入密码很麻烦，所以我这里是失能的。

4、配置 Filesystem images

此选项配置我们最终制作的根文件系统为什么格式的，配置如下：

-> Filesystem images
    -> [*] ext2/3/4 root filesystem // 如果是 EMMC 或 SD 卡的话就用 ext3/ext4
        -> ext2/3/4 variant = ext4 // 选择 ext4 格式
        -> exact size =1G // ext4 格式根文件系统 1GB(根据实际情况修改)
    -> [*] ubi image containing an ubifs root filesystem // 如果使用 NAND 的话就用 ubifs

buildroot 可以直接制作出 ext4 格式的根文件系统，但是一般我们会自行往根文件系统里面添加很多其他的文件，所以产品开发完成以后需要自行打包根文件系统，然后烧写到开发板里面。不管是针对 EMMC 的 ext4 格式的根文件系统还是针对 NAND 的 ubi 格式的根文件系统，都要设置相应的大小，比如这里我们设置的 ex4 格式根文件系统大小为 1GB。

5、禁止编译 Linux 内核和 uboot

buildroot 不仅仅能构建根文件系统，也可以编译 linux 内核和 uboot。我们一般都不会使用 buildroot 下载的 linux 内核和 uboot，因为 buildroot 下载的 linux 和 uboot官方源码，里面会缺少很多驱动文件，而且最新的 linux 内核和 uboot 会对编译器版本号有要求，可能导致编译失败。因此我们需要配置 buildroot，关闭 linux 内核和 uboot 的编译，只使用buildroot 来构建根文件系统，首先是禁止 Linux 内核的编译，配置如下：

-> Kernel
    -> [ ] Linux Kernel // 不要选择编译 Linux Kernel 选项！
    
    
-> Bootloaders
    -> [ ] U-Boot // 不要选择编译 U-Boot 选项！

6、编译 Target packages

此选项用于配置要选择的第三方库或软件、比如 alsa-utils、 ffmpeg、 iperf 等工具，这里我们先只选择内核的模块加载相关软件，配置如下：

-> Target packages
    -> System tools
        -> [*] kmod     // 使能内核模块相关命令

先编译最基础的根文件系统，一步一步来。

7、保存配置项

和 uboot、 kernel 一样，通过图形化界面配置好 buildroot 以后最好保存一下配置项，防止清除工程以后将配置项给删除掉。 buildroot 的默认配置项都保存在 configs 目录下，配置完成以后选择<Save>，然后输入要设置的配置项名字：

如果以后重新配置 builroot 可以直接输入：

make stm32mp1_atk_defconfig

保存完成后就可以看到 stm32mp1_atk_defconfig 这个文件。

② 编译 buildboot

输入以下命令：

make -j8 //多线程编译

# "-j"参数可以指定同时执行的并发任务数。"-j8"表示同时进行8个并发编译任务。

编译的时间是真的久，我直接翻墙然后再编译快一点。

将 rootfs.tar 拷贝到在 nfs 目录下的 rootfs文件夹中并解压，命令如下：

cp rootfs.tar /home/alientek/linux/nfs/rootfs/ -f
cd ~
cd linux/nfs/rootfs/
tar -vxf rootfs.tar
rm rootfs.tar

这就是使用 buildroot 编译出来的根文件系统，我们可以通过 nfs 挂载到开发板上，然后对其进行测试。

③ buildboot 测试根文件系统

测试方法是通过 nfs 挂载的方式，启动 uboot，修改 bootargs 环境变量，设置 nfsroot 目录为 Ubuntu 中的rootfs 目录，命令如下：

setenv bootargs console=ttySTM0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.105:/home/alientek/linux/nfs/rootfs,proto=tcp rw ip=192.168.1.106:192.168.1.105:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off''
saveenv

这里有密码登录，需要取消，输入以下命令：

cd ~
vim linux/nfs/rootfs/etc/inittab

修改成功后开发板 RESET 重复以下操作：

setenv bootargs console=ttySTM0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.105:/home/alientek/linux/nfs/rootfs,proto=tcp rw ip=192.168.1.106:192.168.1.105:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off''
boot

3. buildroot 下的 busybox 配置

① busybox 配置

buildroot 会自动下载 busybox 压缩包， buildroot 下载的源码压缩包都存放在/dl 目录下，在 dl 目录下就有一个叫做“busybox”的文件夹，此目录下保存着 busybox 压缩包，如下图所示：

但是 buildroot 会将所有解压后的软件保存在 /output/build 目录中。

进入 busybox 图形化配置界面：

cd ..            # 返回buildroot源码根目录下
make busybox-menuconfig

-> Settings
    -> Build static binary (no shared libs)

# 不要选择这个

继续配置：

-> Settings
    -> vi-style line editing commands
# 选择这个

继续配置：

-> Linux Module Utilities
    -> Simplified modutils
# 不要选择这个

继续配置：

-> Linux System Utilities
    -> mdev (17 kb)     # 确保下面的全部选中，默认都是选中的

使能 busybox 的 unicode 编码以支持中文：

-> Settings
    -> Support Unicode      # 选中
        -> Check $LC_ALL, $LC_CTYPE and $LANG environment variables     # 选中

配置完成后还需要让busybox 支持中文：

cd /linux/tools/buildroot-2020.02.6/output/build/busybox-1.31.1
vim libbb/printable_string.c

修改 31~32 行和 45行：

修改 busybox-1.32.0/libbb/unicode.c 内容，修改 1022 行和 1031 行：

② 编译 busybox

cd /linux/tools/buildroot-2020.02.6    # 进入 buildroot 源码目录下
make show-targets    # 当前 buildroot 所有 packages

如果我们想单独编译并安装 busybox 的话执行下面命令即可：

make busybox    # 编译 busybox

编译完成以后重新编译 buildroot，主要是对其进行打包，输入如下命令：

make -j8

编译完成后查看 output/images 目录下的 rootfs.tar 创建时间是否是刚刚编译的，如果不是就删掉 rootfs.tar，然后重新执行“sudo make”重新编译一下即可。

4. buildroot 第三方软件和库的配置

① 使能 VSFTPD 服务

在开发板上搭建 FTP 服务器，这样可以使用 FileZilla 软件直接向开发板拷文件或把开发板文件拷贝到电脑中。

cd /linux/tools/buildroot-2020.02.6
make menuconfig

-> Target packages
    -> Networking applications
        -> [*] vsftpd

② 使能 SSH

有时候需要远程登录开发板，这个时候就可以通过网络登录，要用到 SSH 服务。

保存在 configs/stm32mp1_atk_defconfig。

之后重新编译 buildroot ，用 make -j8 。将 ouput/images/rootfs.tar 拷贝到 nfs目录下的 rootfs 目录中，然后重新解压。命令如下：

tar -vxf rootfs.tar

解压完成以后就可以使用 FTP 和 SSH 等相关的软件了，由于 FTP 和 SSH 都是通过网络进行数据传输的，因此需要先配置网络，如果是通过 nfs 挂载的根文件系统，那么网络已经初始化完成了，因此可以直接使用。如果是烧写到 EMMC 里面的，那么就需要先配置网络相关功能。

4. buildroot 根文件系统测试

① 软件运行测试

编译的应用软件一般都使用动态库，使用动态库的话应用软件体积就很小，但是得提供库文件，库文件我们已经添加到了根文件系统中。我们编写一个小小的测试软件来测试一下库文件是否工作正常，在根文件系统下创建一个名为“drivers”的文件夹，以后我们学习 Linux 驱动的时候就把所有的实验文件放到这个文件夹里面。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    while(1)
    {
        printf("hello world!\r\n");
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

sleep 相当于 Linux 的延时函数，单位为秒，所以 sleep(2)就是延时 2 秒。因为我们要在 ARM 芯片上运行，需要用交叉编译器编译：

arm-none-linux-gnueabihf-gcc hello.c -o hello

可以使用 file 命令查看文件类型和编码格式：

file hello

hello 是个 32 位的 LSB 可执行文件， ARM 架构的，并且是动态链接的。将拷贝到 rootfs/dervers 目录下。

终止 hello 运行按下 CTRL+C，“./hello &”就是让 hello 在后台运行。在后台运行的软件可以使用“kill -9 pid(进程 ID)”命令来关闭掉，首先使用“ps”命令查看要关闭的软件 PID 是多少， ps 命令用于查看所有当前正在运行的进程，并且会给出进程的 PID。

首先先让 hello 在后台运行，然后输入 ps 查看 PID 是多少，然后再用 kill -9 命令关闭。

./hello &
ps
kill -9 205

因为 hello 在不断的输出“hello world”所以我们的输入看起来会被打断，其实是没有的，因为我们是输入，而 hello 是输出。在数据流上是没有打断的，只是显示在 SecureCRT 上就好像被打断了。

② 中文字符测试

在 ubuntu 中向在 rootfs 目录新建一个名为“中文测试”的文件夹，然后在 MobaXterm 下查看中文名能不能显示正确。输入“ls”命令：

setenv bootargs console=ttySTM0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.105:/home/alientek/linux/nfs/rootfs,proto=tcp rw ip=192.168.1.106:192.168.1.105:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off''

③ 开机自启动测试

进入根文件系统的时候会运行/etc/init.d/rcS 这个 shell 脚本，因此我们可以在这个脚本里面添加自启动相关内容。添加完成以后的/etc/init.d/rcS 文件内容如下：

#!/bin/sh

PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin
LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/lib:/usr/lib
runlevel=S
umask 022
export PATH LD_LIBRARY_PATH runlevel

mount -a
mkdir /dev/pts
mount -t devpts devpts /dev/pts

echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
mdev -s

# 开机自启动
cd /drivers        # 进入 drivers 目录，因为要启动的软件存放在 drivers 目录下
./hello &          # 以后台方式执行 hello 这个软件
cd /               # 退出 drivers 目录，进入到根目录下

④ 外网连接测试

测试一下看开发板能不能上网，在 rootfs 中新建文件/etc/resolv.conf，然后在里面输入如下内容：

nameserver 114.114.114.114
nameserver 192.168.1.1

nameserver 表示这是个域名服务器，设置了两个域名服务器地址：114.114.114.114 和 192.168.1.1。之后重启开发板。

⑤ depmod 测试

Linux 驱动的时候需要使用此命令分析模块的依赖性，此命令需要在 busybox 中使能，路径如下：

-> Linux Module Utilities
    -> [*] depmod

然后再重新编译，一般将驱动模块放到 lib/modules/5.4.31 目录下，既然当前根文件系统不存在这个目录，那么就手动创建此目录，命令如下：

mkdir /lib/modules/5.4.31 -p

系统会自动使用这三个文件。

⑥ vsftpd 测试

首先需要对vsftpd 进行配置，打开/etc/vsftpd.conf 文件，将下面两行前面的“#”去掉：

接下来把文件的所属用户改为 root，输入以下命令：

chown root:root /etc/vsftpd.conf

我们新建一个用户完成 FTP 登录。

打开 FileZilla，设置新站点。

连接就可以完成与开发版的 vsftpd 连接。

⑦ sshd 测试

SSHD 不需要进行配置，只需要创建一个登陆用户即可。我们需要修改/var/empty目录所属用户以及用户组，输入如下命令：

chown root:root /var/empty/

同样的，也可以在 ubuntu 下通过 ssh 命令登录开发板，输入如下命令：

ssh luoxuesong@192.168.1.106

# 其中 luoxuesong 是登录账号名字，192.168.1.106 是我们自己给开发板设的 IP 地址。用户名和 IP 地址用 @ 连接。
# 输入 exit 退出 SSH 会话

⑧ 创建自启动文件

默认情况下 buildroot 构建的根文件系统中 rcS 文件内容如下：

rcS 默认会在/etc/init.d 目录下查找所有以‘S’开头的脚本，然后依次执行这些脚本。所以我们可以自己创建一个以‘S’开头的自启动脚本文件，比如我创建一个名为 Sautorun 的自启动文件，命令如下：

cd /etc/init.d/ 
touch Sautorun 
chmod 777 Sautorun

设置好以后重启开发板，此时 Sautorun 脚本就会被 rcS 调用，进而运行 test 软件。

⑨ 显示路径

使用 buildroot 构建的根文件系统启动以后会发现，输入命令的时候命令行前面一直都是“#”，如果我们进入到某个目录的话前面并不会显示当前目录路径。

这个是跟 PS1 环境变量有关，它是用于设置命令提示符格式，格式如下：

PS1 = ‘命令列表’

命令列表中可选的参数如下：
\!：显示该命令的历史记录编号。
\#：显示当前命令的命令编号。
\$：显示$符作为提示符，如果用户是 root 的话，则显示#号。
\\：显示反斜杠。
\d：显示当前日期。
\h：显示主机名。
\n：打印新行。
\nnn：显示 nnn 的八进制值。
\s：显示当前运行的 shell 的名字。
\t：显示当前时间。
\u：显示当前用户的用户名。
\W：显示当前工作目录的名字。
\w：显示当前工作目录的路径

我们打开 /etc/profile 文件，文件内容如下所示：

export PATH="/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin"

if [ "$PS1" ]; then
	if [ "`id -u`" -eq 0 ]; then
		export PS1='# '
	else
		export PS1='$ '
	fi
fi

export EDITOR='/bin/vi'

# Source configuration files from /etc/profile.d
for i in /etc/profile.d/*.sh ; do
	if [ -r "$i" ]; then
		. $i
	fi
done
unset i

# 3~9 行是设置 P1 环境变量，但是不建议修改，因为当我们重新编译了 buildroot 并解压后这个文件内容就会被替换。
# 14~17 行是 etc/profile 文件会遍历 etc/profile.d 目录下的 .sh 脚本文件，然后执行。所以我们可以自定义 .sh 脚本文件。

在/etc/profile.d 目录下新建一个名为“myprofile.sh”的 shell 脚本文件，并且给予此文件可执行权限，命令如下：

cd /etc/profile.d/ 
touch myprofile.sh 
chmod 777 myprofile.sh

最后在 myprofile.sh 里面添加如下代码：

#!/bin/sh

PS1='[\u@\h]:\w$ '
export PS1

之后重启开发板，之后我们就可以看见当前路径和用户。

⑩ 使能 sysfs debug 目录

后续调试驱动的时候我们可能要用到/sys/kernel/debug 目录，默认我们没有挂载 debugfs 文件系统，所以/sys/kernel/debug 目录下没有任何文件，挂载方法很简单。输入以下代码：

mount -t debugfs none /sys/kernel/debug

# 修改完重启

5. 烧写根文件系统到 EMMC 中

① 根文件系统打包

1、新建 ext4 格式磁盘

输入如下命令创建 ext4 磁盘：

cd ~
mkdir /home/alientek/linux/rootfs
cd /home/alientek/linux/rootfs   
dd if=/dev/zero of=rootfs.ext4 bs=1M count=1024 # dd 命令创建一个名为 rootfs.ext4 的磁盘，由于根文件系统比较大，因此 count设置为 1024，也就是根文件系统总空间为 1GB
mkfs.ext4 -L rootfs rootfs.ext4 

# "mkfs.ext4"：这是用于创建Ext4文件系统的命令。
# "-L rootfs"：这个选项用于设置文件系统的标签，将文件系统的标签设置为"rootfs"。
# "rootfs.ext4"：指定要格式化的文件系统所在的设备或文件。在这个例子中，我们使用"rootfs.ext4"作为文件系统。

2、将系统镜像拷贝到 ext4 磁盘

首先创建一个目录用来挂载前面制作制作出来的 rootfs.ext4：

sudo mkdir /mnt/rootfs

然后使用 mount 命令将 rootfs.ext4 挂载到 /mnt/rootfs 目录下：

cd /home/alientek/linux/rootfs
mount rootfs.ext4 /mnt/rootfs/

挂载成功以后就将/home/alientek/linux/nfs/rootfs 目录下的所有根文件系统文件拷贝到/mnt/bootfs 目录下，命令如下：

cd /home/alientek/linux/nfs/rootfs/
sudo cp * /mnt/rootfs/ -drf

umount 卸载 /mnt/rootfs：

sudo umount /mnt/rootfs

② 烧写到 EMMC

根文件系统 rootfs.ext4 烧写到开发板的 EMMC里面，使用 STM32CubeProgrammer 软件完成此操作，并修改 Flashlayout。

③ EMMC 启动测试

烧写完成后，用 uboot 命令行，设置 bootcmd 和 bootargs 两个环境变量：

setenv bootcmd 'ext4load mmc 1:2 c2000000 uImage;ext4load mmc 1:2 c4000000 stm32mp157datk.dtb;bootm c2000000 - c4000000'
setenv bootargs 'console=ttySTM0,115200 root=/dev/mmcblk1p3 rootwait rw'
saveenv
boot

完成后系统之启动了lo网卡，eh0并没有启动，输入以下命令：

ifconfig eth0 up     # 打开 eth0 网卡

但是此时开发板网络还不能使用，因为我们还没有配置 eth0 网卡地址信息输入以下命令，如果开发板连接交换机或电脑需要输入以下命令：w

ifconfig eth0 up                                      # 打开 eth0
ifconfig eth0 192.168.1.250 netmask 255.255.255.0     # 设置 IP 地址

如果开发版直连路由器，直接输入 " udhcpc "命令直接从路由器获得动态IP地址即可。