根文件系統

首先要明白的是“什麼是文件系統”，文件系統是對一個存儲設備上的數據和元數據進行組織的機制。這種機制有利於用户和操作系統的交互。在一篇oracle的技術文章中看到這樣一句話“儘管內核是 Linux 的核心，但文件卻是用户與操作系統交互所採用的主要工具。這對 Linux 來説尤其如此，這是因為在 UNIX 傳統中，它使用文件 I/O 機制管理硬件設備和數據文件”，這句話我是這樣理解的，在Linux沒有文件系統的話，用户和操作系統的交互也就斷開了，例如我們使用最多的交互shell，包括其它的一些用户程序，都沒有辦法運行。在這裏可以看到文件系統相對於Linux操作系統的重要性。下面是Linux文件系統組件的體系結構。

用户空間包含一些應用程序（例如，文件系統的使用者）和 GNU C 庫（glibc），它們為文件系統調用（打開、讀取、寫和關閉）提供用户接口。系統調用接口的作用就像是交換器，它將系統調用從用户空間發送到內核空間中的適當端點。

VFS 是底層文件系統的主要接口。這個組件導出一組接口，然後將它們抽象到各個文件系統，各個文件系統的行為可能差異很大。有兩個針對文件系統對象的緩存（inode 和dentry）。它們緩存最近使用過的文件系統對象。

每個文件系統實現（比如 ext2、JFS 等等）導出一組通用接口，供 VFS 使用。緩衝區緩存會緩存文件系統和相關塊設備之間的請求。例如，對底層設備驅動程序的讀寫請求會通過緩衝區緩存來傳遞。這就允許在其中緩存請求，減少訪問物理設備的次數，加快訪問速度。以最近使用（LRU）列表的形式管理緩衝區緩存。注意，可以使用 sync 命令將緩衝區緩存中的請求發送到存儲媒體（迫使所有未寫的數據發送到設備驅動程序，進而發送到存儲設備）。

當我們在Windows下，提到文件系統時，你的第一反應是想到的是什麼？是不是Windows下的一些Fat32、NTFS等的文件系統的類型。而在Linux中，你可能會想到Ext2、Ext3，但你還必須要有一個根文件系統的概念。根文件系統首先是一種文件系統，該文件系統不僅具有普通文件系統的存儲數據文件的功能，但是相對於普通的文件系統，它的特殊之處在於，它是內核啓動時所掛載（mount）的第一個文件系統，內核代碼的映像文件保存在根文件系統中，系統引導啓動程序會在根文件系統掛載之後從中把一些初始化腳本（如rcS,inittab）和服務加載到內存中去運行。我們要明白文件系統和內核是完全獨立的兩個部分。在嵌入式中移植的內核下載到開發板上，是沒有辦法真正的啓動Linux操作系統的，會出現無法加載文件系統的錯誤。

那麼根文件系統在系統啓動中到底是什麼時候掛載的呢？先將/dev/ram0掛載，而後執行/linuxrc.等其執行完後。切換根目錄，再掛載具體的根文件系統.根文件系統執行完之後，也就是到了Start_kernel()函數的最後，執行init的進程，也就第一個用户進程。對系統進行各種初始化的操作。如果要弄明白這裏的過程的話，可要好好的看看Linux內核源碼了。展示了VFS，內核，文件系統的層次結構：

根文件系統之所以在前面加一個”根“，説明它是加載其它文件系統的”根“，既然是根的話，那麼如果沒有這個根，其它的文件系統也就沒有辦法進行加載的。它包含系統引導和使其他文件系統得以掛載（mount）所必要的文件。根文件系統包括Linux啓動時所必須的目錄和關鍵性的文件，例如Linux啓動時都需要有init目錄下的相關文件，在 Linux掛載分區時Linux一定會找/etc/fstab這個掛載文件等，根文件系統中還包括了許多的應用程序bin目錄等，任何包括這些Linux 系統啓動所必須的文件都可以成為根文件系統。

Linux啓動時，第一個必須掛載的是根文件系統；若系統不能從指定設備上掛載根文件系統，則系統會出錯而退出啓動。成功之後可以自動或手動掛載其他的文件系統。因此，一個系統中可以同時存在不同的文件系統。

在 Linux 中將一個文件系統與一個存儲設備關聯起來的過程稱為掛載（mount）。使用 mount 命令將一個文件系統附着到當前文件系統層次結構中（根）。在執行掛裝時，要提供文件系統類型、文件系統和一個掛裝點。根文件系統被掛載到根目錄下“/”上後，在根目錄下就有根文件系統的各個目錄，文件：/bin /sbin /mnt等，再將其他分區掛接到/mnt目錄上，/mnt目錄下就有這個分區的各個目錄，文件。

Linux根文件系統中一般有如下的幾個目錄：

1./bin目錄

該目錄下的命令可以被root與一般賬號所使用，由於這些命令在掛接其它文件系統之前就可以使用，所以/bin目錄必須和根文件系統在同一個分區中。

/bin目錄下常用的命令有：cat、chgrp、chmod、cp、ls、sh、kill、mount、umount、mkdir、[、test等。其中“[”命令就是test命令，我們在利用Busybox製作根文件系統時，在生成的bin目錄下，可以看到一些可執行的文件，也就是可用的一些命令。

2./sbin 目錄

該目錄下存放系統命令，即只有系統管理員（俗稱最高權限的root）能夠使用的命令，系統命令還可以存放在/usr/sbin,/usr/local/sbin目錄下，/sbin目錄中存放的是基本的系統命令，它們用於啓動系統和修復系統等，與/bin目錄相似，在掛接其他文件系統之前就可以使用/sbin，所以/sbin目錄必須和根文件系統在同一個分區中。

/sbin目錄下常用的命令有：shutdown、reboot、fdisk、fsck、init等，本地用户自己安裝的系統命令放在/usr/local/sbin目錄下。

3、/dev目錄

該目錄下存放的是設備與設備接口的文件，設備文件是Linux中特有的文件類型，在Linux系統下，以文件的方式訪問各種設備，即通過讀寫某個設備文件操作某個具體硬件。比如通過"dev/ttySAC0"文件可以操作串口0，通過"/dev/mtdblock1"可以訪問MTD設備的第2個分區。比較重要的文件有/dev/null, /dev/zero, /dev/tty, /dev/lp*等。

4./etc目錄

該目錄下存放着系統主要的配置文件，例如人員的賬號密碼文件、各種服務的其實文件等。一般來説，此目錄的各文件屬性是可以讓一般用户查閲的，但是隻有root有權限修改。對於PC上的Linux系統，/etc目錄下的文件和目錄非常多，這些目錄文件是可選的，它們依賴於系統中所擁有的應用程序，依賴於這些程序是否需要配置文件。在嵌入式系統中，這些內容可以大為精減。

5./lib目錄

該目錄下存放共享庫和可加載（驅動程序），共享庫用於啓動系統。運行根文件系統中的可執行程序，比如：/bin /sbin 目錄下的程序。

6./home目錄

系統默認的用户文件夾，它是可選的，對於每個普通用户，在/home目錄下都有一個以用户名命名的子目錄，裏面存放用户相關的配置文件。

7./root目錄

系統管理員（root）的主文件夾，即是根用户的目錄，與此對應，普通用户的目錄是/home下的某個子目錄。

8./usr目錄

/usr目錄的內容可以存在另一個分區中，在系統啓動後再掛接到根文件系統中的/usr目錄下。裏面存放的是共享、只讀的程序和數據，這表明/usr目錄下的內容可以在多個主機間共享，這些主要也符合FHS標準的。/usr中的文件應該是隻讀的，其他主機相關的，可變的文件應該保存在其他目錄下，比如/var。/usr目錄在嵌入式中可以精減。

9./var目錄

與/usr目錄相反，/var目錄中存放可變的數據，比如spool目錄（mail,news），log文件，臨時文件。

10./proc目錄

這是一個空目錄，常作為proc文件系統的掛接點，proc文件系統是個虛擬的文件系統，它沒有實際的存儲設備，裏面的目錄，文件都是由內核

臨時生成的，用來表示系統的運行狀態，也可以操作其中的文件控制系統。

11./mnt目錄

用於臨時掛載某個文件系統的掛接點，通常是空目錄，也可以在裏面創建一引起空的子目錄，比如/mnt/cdram /mnt/hda1 。用來臨時掛載光盤、移動存儲設備等。

12. /tmp目錄

用於存放臨時文件，通常是空目錄，一些需要生成臨時文件的程序用到的/tmp目錄下，所以/tmp目錄必須存在並可以訪問。

那我們利用Busybox製作根文件系統就是創建這上面的這些目錄，和這些目錄下面的各種文件。

對於嵌入式Linux系統的根文件系統來説，一般可能沒有上面所列出的那麼複雜，比如嵌入式系統通常都不是針對多用户的，所以/home這個目錄在一般嵌入式Linux中可能就很少用到，而/boot這個目錄則取決於你所使用的BootLoader是否能夠重新獲得內核映象從你的根文件系統在內核啓動之前。一般説來，只有/bin，/dev，/etc，/lib，/proc，/var，/usr這些需要的，而其他都是可選的。

根文件系統一直以來都是所有類Unix操作系統的一個重要組成部分，也可以認為是嵌入式Linux系統區別於其他一些傳統嵌入式操作系統的重要特徵，它給 Linux帶來了許多強大和靈活的功能，同時也帶來了一些複雜性。我們需要清楚的瞭解根文件系統的基本結構，以及細心的選擇所需要的系統庫、內核模塊和應用程序等，並配置好各種初始化腳本文件，以及選擇合適的文件系統類型並把它放到實際的存儲設備的合適位置，下面是幾中比較常用的文件系統。

(1)jffs2

JFFS嵌入式系統文件系統最早是由瑞典 Axis Communications公司基於Linux2.0的內核為嵌入式系統開發的文件系統。JFFS2是RedHat公司

基於JFFS開發的閃存文件系統，最初是針對RedHat公司的嵌入式產品eCos開發的嵌入式文件系統，所以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。

Jffs2: 日誌閃存嵌入式系統文件系統版本2 (Journalling Flash FileSystem v2)

主要用於NOR型閃存，基於MTD驅動層，特點是：可讀寫的、支持數據壓縮的、基於哈希表的日誌型文件系統，並提供了崩潰/掉電安全保護，提供“寫平衡”支持等。缺點主要是當文件系統已滿或接近滿時，因為垃圾收集的關係而使jffs2的運行速度大大放慢。目前jffs3正在開發中。關於jffs系列文件系統的使用詳細文檔，可參考MTD補丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。

jffsx不適合用於NAND閃存主要是因為NAND閃存的容量一般較大，這樣導致jffs為維護日誌節點所佔用的內存空間迅速增大，另外，jffsx文件系統在掛載時需要掃描整個FLASH的內容，以找出所有的日誌節點，建立文件結構，對於大容量的NAND閃存會耗費大量時間。

(2)yaffs：Yet Another Flash File System

yaffs/yaffs2是專為嵌入式系統使用 NAND型閃存而設計的一種日誌型文件系統。與jffs2相比，它減少了一些功能(例如不支持數據壓縮)，所以速度更快，掛載時間很短，對內存的佔用較小。另外，它還是跨平台的文件系統，除了Linux和eCos，還支持WinCE, pSOS和ThreadX等。

yaffs/yaffs2自帶NAND芯片的驅動，並且為嵌入式系統提供了直接訪問文件系統的API，用户可以不使用Linux中的MTD與VFS，直接對文件系統操作。當然，yaffs也可與MTD驅動程序配合使用。

yaffs與 yaffs2的主要區別在於，前者僅支持小頁(512 Bytes) NAND閃存，後者則可支持大頁(2KB) NAND閃存。同時，yaffs2在內存空間佔用、垃圾回收速度、讀/寫速度等方面均有大幅提升。

(3) Cramfs：Compressed ROM File System

Cramfs是Linux的創始人 Linus Torvalds參與開發的一種只讀的壓縮文件系統。它也基於MTD驅動程序。在cramfs文件系統中，每一頁(4KB)被單獨壓縮，可以隨機頁訪問，其壓縮比高達2:1,為嵌入式系統節省大量的Flash存儲空間，使系統可通過更低容量的FLASH存儲相同的文件，從而降低系統成本。

Cramfs文件系統以壓縮方式存儲，在運行時解壓縮，所以不支持應用程序以XIP方式運行，所有的應用程序要求被拷到RAM裏去運行，但這

並不代表比 Ramfs需求的RAM空間要大一點，因為Cramfs是採用分頁壓縮的方式存放檔案，在讀取檔案時，不會一下子就耗用過多的內存空間，

只針對目前實際讀取的部分分配內存，尚沒有讀取的部分不分配內存空間，當我們讀取的檔案不在內存時，Cramfs文件系統自動計算壓縮後的資料所存的位置，再即時解壓縮到 RAM中。另外，它的速度快，效率高，其只讀的特點有利於保護文件系統免受破壞，提高了系統的可靠性。

由於以上特性，Cramfs在嵌入式系統中應用廣泛。但是它的只讀屬性同時又是它的一大缺陷，使得用户無法對其內容對進擴充。Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在別的文件系統裏，使用 loopback 設備可以把它安裝別的文件系統裏。

(4)網絡文件系統NFS (Network File System)

NFS是由Sun開發並發展起來的一項在不同機器、不同操作系統之間通過網絡共享文件的技術。在嵌入式Linux系統的開發調試階段，可以利用該技術在主機上建立基於NFS 的根文件系統，掛載到嵌入式設備，可以很方便地修改根文件系統的內容。以上討論的都是基於存儲設備的文件系統(memory-based file system)，它們都可用作Linux的根文件系統。實際上，Linux還支持邏輯的或偽文件系統(logical or pseudo file system)，例如procfs(proc文件系統)，用於獲取系統信息，以及devfs(設備文件系統)和sysfs，用於維護設備文件。