snowcat · blog

IoT 学习笔记 0x05

1,982 字6 分钟阅读#IoT
分类IoT系列IoT Learning 5/6

IoT 学习笔记 0x05

构建一个虽小但功能完备的嵌入式系统：让内核通过 NFS 从工作站目录启动，手工制作最小化根文件系统，并装上 BusyBox。

本系列大部分为文档的翻译。本章踩坑极多（BusyBox 源码版本、kconfig 目标、NFS 导出选项、devtmpfs 挂载）。

参考资料： 嵌入式 Linux 与内核工程

进入 $HOME/embedded-linux-qemu-labs/tinysystem/ 目录。

目标

  • 让内核从一个通过 NFS 共享的工作站目录启动。
  • 从零创建一个最小化的根文件系统。
  • 在文件系统上安装 BusyBox，并基于 /sbin/init 写一个简单的启动脚本。
  • 为设备搭建一个简单的 Web 界面。

内核配置

复用第 4 章位于 $HOME/embedded-linux-qemu-labs/kernel/ 的内核源码。

确认你的内核配置中已具备通过 NFS 挂载根文件系统所需的全部选项，并且 CONFIG_DEVTMPFS_MOUNT 已启用（让内核启动时自动挂载 /dev）。如第 4 章所述，这些选项我们都已打开：

Terminal window
cd ~/embedded-linux-qemu-labs/kernel/linux
scripts/config --enable CONFIG_IP_PNP_DHCP
scripts/config --enable CONFIG_ROOT_NFS
scripts/config --enable CONFIG_DEVTMPFS_MOUNT
make olddefconfig

内核的 make 目标里有 olddefconfig（这是内核后加的），但 BusyBox 的 kconfig 没有这个目标——下面构建 BusyBox 时会踩到，见实战小结。

搭建 NFS 服务器

在当前实验目录中创建 nfsroot 目录，它用来存放新根文件系统的内容：

Terminal window
mkdir -p ~/embedded-linux-qemu-labs/tinysystem/nfsroot

安装 NFS 服务器（若尚未安装）：

Terminal window
sudo apt install nfs-kernel-server

以 root 身份编辑 /etc/exports，添加一行（假设板子 IP 为 192.168.0.100，用户名为 iot）：

/home/iot/embedded-linux-qemu-labs/tinysystem/nfsroot 192.168.0.100(rw,no_root_squash,no_subtree_check)

让 NFS 服务器重新加载配置：

Terminal window
sudo exportfs -r

WSL 环境下 sudo exportfs -s 会卡死（守护进程挂起），改用下面这条验证导出是否真正生效：

Terminal window
grep nfsroot /var/lib/nfs/etab

启动系统：设置 NFS 根启动参数

把板子启动到 U-Boot 提示符，在内核启动前设置 bootargs，告诉它根文件系统通过 NFS 挂载。这里直接写全，不依赖残留变量：

=> setenv bootargs "console=ttyAMA0 root=/dev/nfs ip=192.168.0.100 nfsroot=192.168.0.1:/home/iot/embedded-linux-qemu-labs/tinysystem/nfsroot,nfsvers=3,tcp rw"
=> saveenv

第 4 章的 bootcmd 已经设好自动 tftp 拉 zImage 和 dtb 再 bootz，所以 saveenv 后直接 boot 即可，不用每次手敲。

启动后内核应能挂载 NFS 根：

VFS: Mounted root (nfs filesystem) on device 0:13.

但此时根文件系统几乎是空的，内核会先报一行、再 panic：

devtmpfs: error mounting -2
...
Kernel panic - not syncing: No working init found.
  • devtmpfs: error mounting -2：内核启用了 CONFIG_DEVTMPFS_MOUNT，会在早期尝试把 devtmpfs 挂到 /dev，但 nfsroot 里没有 dev 目录，所以 -2（ENOENT）。这行不用慌，后面由 rcS 脚本显式挂载解决（见「系统配置与启动」）。
  • No working init found：nfsroot 里还没有 init 程序，下一步装上 BusyBox 即可消除。

使用 BusyBox 构建根文件系统

下载 BusyBox 1.37.x 源码并 checkout 到 1.37.0：

Terminal window
cd ~/embedded-linux-qemu-labs/tinysystem
git clone https://git.busybox.net/busybox
cd busybox
git fetch origin tag 1_37_0      # shallow clone 时需要这条建立本地 tag ref
git checkout 1_37_0

用实验数据目录里现成的 data/busybox-1.37.config 作为配置（BusyBox 的配置文件在源码里就是 .config）：

Terminal window
cd ~/embedded-linux-qemu-labs/tinysystem/busybox
cp ../data/busybox-1.37.config .config
export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-linux-
make oldconfig </dev/null        # 非交互刷新配置（注意不是 olddefconfig！）

make oldconfig 后不要跑 make menuconfig：我们直接用预设 config，因此也不需要文档里说的 ncurses 补丁（那个 patch 只影响交互式 menuconfig，GCC 15 下才触发）。

设置安装目录为 nfsroot，然后编译并安装：

Terminal window
# 在 menuconfig 里设 Settings -> Install Options -> Destination path for 'make install'
# 也可直接在命令行指定，免去交互配置：
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- -j$(nproc)
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- CONFIG_PREFIX=~/embedded-linux-qemu-labs/tinysystem/nfsroot install

make install 完成后，nfsroot/bin/busybox 就是二进制，nfsroot/sbin/init 软链到 ../bin/busybox。

我们编出来的是静态链接 BusyBox（config 默认 CONFIG_STATIC=y），自包含、不依赖任何库，比文档后续说的「动态链接 + 拷 musl」更稳。init 完全自包含，不用卡库依赖。详见实战小结。

虚拟文件系统

现在根文件系统有了 init，但还缺 proc/sys/dev 等。板子启动进 shell 后，ps 会报错说 /proc 不存在——进程相关命令靠 proc 虚拟文件系统从内核取信息。

启动脚本（下一节）会一次性把这些挂好。先理解要挂载的几种虚拟文件系统：

文件系统挂载点作用
proc/proc进程、内核信息（ps、/proc/version 等）
sysfs/sys设备模型（/sys/class/net/eth0 等）
devtmpfs/dev内核已知设备的设备文件（解决上面 -2）
tmpfs/tmp内存临时文件

系统配置与启动

内核执行的第一个用户空间程序是 /sbin/init，其配置文件是 /etc/inittab。创建一个 inittab 和它在其中声明的 /etc/init.d/rcS 启动脚本。

nfsroot/etc/inittab：

::sysinit:/etc/init.d/rcS
ttyAMA0::askfirst:-/bin/sh
::restart:/sbin/init
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdown:/bin/umount -a -r

ttyAMA0::askfirst:-/bin/sh 让 shell 跑在真实终端设备 ttyAMA0 上，避免 /bin/sh: can't access tty; job control turned off 警告（文档用 ::askfirst:/bin/sh 时出现在 /dev/console，不支持作业控制）。

nfsroot/etc/init.d/rcS：

#!/bin/sh
# 挂载四个虚拟文件系统
/bin/mount -t proc proc /proc
/bin/mount -t sysfs sysfs /sys
/bin/mount -t devtmpfs devtmpfs /dev
/bin/mount -t tmpfs tmpfs /tmp


# 回环地址（lo）
/sbin/ifconfig lo 127.0.0.1

rcS 里这条 mount -t devtmpfs devtmpfs /dev 正是用来消除内核早期那行 devtmpfs: error mounting -2 的——内核自己自动挂载失败，由 rcS 在用户空间接管，/dev 下设备文件由内核填充。

给 rcS 加执行权限：

Terminal window
chmod +x ~/embedded-linux-qemu-labs/tinysystem/nfsroot/etc/init.d/rcS

切换到共享库（可选）

文档在这个阶段会让你把 hello.c 交叉编译成动态链接、拷 musl 库进 lib/，再把 BusyBox 改成动态链接以缩小体积。

我们实际没走这条路，静态链接的 BusyBox 已经自包含、能正常启动，且动态链接在 NFS 根下有 30–60 秒的缓存延迟（改了 lib/ 后板子要等 NFS 客户端刷新才看得到），对调试不友好。所以 nfsroot/lib/ 下的 musl 库（如果之前拷贝过 ld-musl-armhf.so.1 和 usr/lib/libc.so）留着无害，但不影响启动。

若你确实要动态链接：从工具链目录 find ~/x-tools -name ld-musl-armhf.so.1 找到动态链接器，拷到 nfsroot/lib/。Musl 的链接器同时包含 C 库，所以一般只拷这一个文件就够。

为设备实现 Web 界面

把 data/www/ 复制到根文件系统的 /www：

Terminal window
cp -r ~/embedded-linux-qemu-labs/tinysystem/data/www ~/embedded-linux-qemu-labs/tinysystem/nfsroot/www

板子 shell 里启动 BusyBox 的 http 服务器：

Terminal window
/usr/sbin/httpd -h /www/

它会自动转入后台。在 Windows 主机浏览器打开 http://192.168.0.100/（注意这是 QEMU 运行期间才通，主机 IP 是 192.168.0.1，板子 192.168.0.100；打不开多半是 Windows 防火墙挡了 80 端口，或浏览器走了代理）。

验证：系统成功启动

启动后看到横幅并出现 # 提示符，即整条链（U-Boot → 内核 → NFS 根 → init → rcS → shell）跑通：

========================================
   Embedded Linux System Started
========================================
Please press Enter to activate this console.
#

进 shell 后确认网络真的活了（这段是实测输出）：

# ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 52:54:00:12:34:56
          inet addr:192.168.0.100  Bcast:192.168.0.255  Mask:255.255.255.0
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:399 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:298 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000
lo        Link encap:Local Loopback
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65536  Metric:1

RX packets:399 基本就是启动时从主机 192.168.0.1 经 NFS 读根文件系统产生的流量，反向证明 NFS-over-TCP 根挂载正常工作。

退出 QEMU：Ctrl+A 然后 X。