基于定制軟件源的嵌入式操作系統設計文件系統構建方法

摘要：該文提出了一種基于定制軟件源的嵌入式操作系統文件系統構建方法。該方法通過提供RPM安裝包的軟件源文件和待安裝的RPM包列表，自動創建和下載RPM包至新的根文件系統（rootfs），有效梳理軟件之間的依賴關系，搭建嵌入式操作系統文件系統框架并進行系統參數配置，最終生成嵌入式操作系統文件系統鏡像。實測結果表明，基于該方法構建的嵌入式操作系統文件系統能在RK3588開發板上穩定運行，并且由于文件系統與內核的解耦特性，具備高度的可移植性。

關鍵詞：定制軟件源；嵌入式；文件系統

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.11.025

中圖分類號：TM 623；TP 3" " " " " " " " "文獻標志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）11-00-03

Design of Embedded Operating System Based on Customized Software Source

XIE Hongwen

（Jiangsu Institute of Automation， Lianyungang 222061， China）

Abstract： This article proposes a method for building an embedded operating system file system based on customized software sources. This method automatically creates and downloads RPM packages to a new root file system （rootfs） by providing the software source files for RPM installation packages and a list of RPM packages to be installed. It effectively sorts out the dependencies between software， builds an embedded operating system file system framework， performs system parameter configuration， and ultimately generates an embedded operating system file system image. The actual test results show that the embedded operating system file system built based on this method can run stably on the RK3588 development board， and due to the decoupling characteristics between the file system and the kernel， it has high portability.

Keywords： customized software source; embedded system; file system

隨著物聯網和智能設備的迅速發展，嵌入式系統的應用場景愈發廣泛，涵蓋了智能家居、工業自動化、醫療設備、智能交通等多個領域[1]。嵌入式操作系統作為這些設備的核心，承擔著資源管理、設備控制和用戶交互等重要功能[2]。Linux因其開源特性和強大的社區支持，逐漸成為嵌入式操作系統的首選，尤其是在需要高效、可靠和靈活的解決方案時。

1" "基于定制軟件源的嵌入式操作系統整體設計

Linux作為一種開源操作系統，廣泛應用于嵌入式系統中。Linux嵌入式操作系統在智能裝備升級、網絡設備、移動計算設備等領域發揮著重要作用。例如，在智能裝備方面，許多傳感器和電機都通過嵌入式Linux操作系統實現智能化控制，提高了效率和可靠性。區別于傳統的服務器操作系統，嵌入式操作系統文件系統在設計過程中會遇到一些難點，首先是嵌入式操作系統資源有限，因此需要在有限資源的情況下設計系統[3]；其次，嵌入式設備一般運行于特定場景下，專注于某項特定功能，因此需要嵌入式操作系統提供對軟件版本以及特殊軟件的定制需求。最后，現有的嵌入式操作系統文件系統的構建方法如yocto和buildroot，配置復雜度高，構建效率低下[4]。

針對上述嵌入式操作系統的問題，聚焦于定制軟件源，本文提出了一種基于定制軟件源的嵌入式操作系統文件系統構建方法，通過提供rpm安裝包軟件源文件以及待安裝的rpm安裝包列表，自動創建并下載rpm包到新的rootfs嵌入式操作系統文件系統，同時能夠自動梳理軟件之間的依賴關系，并能夠很好地搭建嵌入式操作系統文件系統框架，進行系統的參數配置，生成最終的嵌入式操作系統文件系統鏡像。

2" "嵌入式操作系統文件系統設計流程

2.1 軟件定制

首先，以嵌入式操作系統文件系統能夠運行為基礎，提供了一份制作嵌入式操作系統文件系統的最小化軟件包列表，稱為rpmlist-minimal，其中包含文件系統的結構以及運行所需的基本工具和庫。在此基礎上，根據具體的需求增加、刪除或替換嵌入式操作系統所需要的軟件工具和庫。在確定好需要安裝的軟件包后，需要用戶提供repo文件或repo軟件源地址，以便從中獲取需要安裝的軟件包。Repo文件或repo源記錄了軟件倉庫的具體細節，通過yum、dnf等工具從軟件倉庫安裝或升級相應的軟件[5]。對于沒有特定版本需求的用戶，提供centos等官方鏡像url地址；對于有特定軟件版本需求的用戶，通過自制repo源并提供源文件路徑的方法獲取所需的rpm軟件安裝包。

2.2 軟件安裝

在安裝rpm軟件包之前，需要在上位機中選定構建根文件系統（rootfs）的根目錄，安裝程序會在該目錄下運行，待裝軟件包也會安裝到該根目錄下，便于安裝過程的管理和后續新系統的創建。使用如下命令，在選定的根目錄下初始化一個新的RPM數據庫，以便在新的根文件系統中管理RPM軟件包，其中${rootfs_dir}代表選定的根目錄地址。

初始化過后，使用dnf軟件包管理器下載和安裝所需的rpm軟件包，dnf自動解決安裝過程中rpm軟件包之間的依賴問題。使用dnf在新的根文件系統目錄下循環安裝所需的rpm軟件包，命令如下，其中${repo_info}代表指定的軟件源地址，--installroot=${rootfs_dir}表示rpm軟件包的安裝路徑為新選取的根目錄地址，循環安裝軟件名為$item的rpm軟件包，安裝完成后刪除下載的rpm安裝包。

2.3 構件新文件系統

構建新文件系統需要重新構建根目錄結構，當在使用dnf命令指定根目錄地址進行安裝時，dnf會創建/bin、/sbin、/usr、/lib等目錄，將軟件安裝到相應的位置并將相應的庫文件存放在/lib或/usr/lib目錄下；/proc、/sys目錄由內核在啟動時動態生成；對于/dev目錄，其中的設備文件由內核在啟動時自動創建，由system-udev軟件動態地創建和刪除/dev目錄中的設備文件；/var和/etc分別用于存放可變的數據文件和系統配置文件，可在程序中手動創建這兩個目錄。生成的目錄稱之為虛擬文件系統。

在文件系統的根目錄結構構建完畢之后，還需要對新的文件系統進行必要的配置。要配置文件系統的DNS設置，需要創建${rootfs_dir}/etc/resolv.conf文件并將DNS地址寫入該文件中。接著需要配置系統的網絡設置，創建${rootfs_dir}/etc/sysconfig/network-scripts目錄，并以實際網卡名稱創建網卡配置文件，配置接口類型、靜態IP地址、UUID、默認路由、網關等，以便該文件系統所在的設備能夠使用網絡與外部進行數據交換。

還需要文件系統能夠在不同的設備環境下，根據不同的磁盤大小進行擴展，更新文件系統大小。首先使用findmnt與lsblk命令找到需要操作的磁盤和分區，使用gdisk和parted命令調整磁盤分區大小，最后使用resize2fs擴展文件系統大小。這一系列命令被寫入單獨的腳本程序中，將該腳本添加到新文件系統的系統服務列表中并將其設置為開機自動運行，該腳本的末尾添加了該腳本文件的刪除命令，確保腳本只運行一次。

隨后使用chroot命令進入新文件系統，修改新系統root用戶的密碼、系統時間等信息，并在${rootfs_dir}/etc/fstab文件中寫入標簽rootfs的ext4文件系統的掛載信息，確保在系統啟動時能夠正確掛載根文件系統，至此，新文件系統生成與配置完畢。

2.4 生成文件系統鏡像

首先使用du命令計算rootfs_dir目錄的總大小（以MiB為單位），并將這個大小去掉單位后賦值給size。之后，給size變量加上額外的500 MiB，以便為新文件系統鏡像分配足夠的空間，命令如下。

接下來創建一個虛擬塊設備文件（sparse file），該文件將用作后續的文件系統鏡像。如下命令所示，使用dd命令將讀取/dev/zero中的零字節并將它們寫入到rootfs_img文件中，直到達到size變量所指定的字節數，sync命令確保所有掛起的文件系統寫入操作都被強制寫入磁盤。這樣就創建了一個特定大小的虛擬塊設備。

隨后在rootfs.img上創建一個ext4文件系統，并標記為rootfs。將rootfs.img掛載到rootfs_tmp目錄，并使用如下rsync命令將新生成的文件系統下的所有內容復制到rootfs.img的掛載點rootfs_tmp目錄下。同步所有更改并等待10 s，確認所有操作都已完成。

最后卸載設備，并清理工作目錄下的內容，rootfs.img鏡像文件即為生成的文件系統鏡像，它包含新生成的文件系統的所有內容，至此文件系統鏡像生成完畢。

3" "嵌入式操作系統文件系統驗證

將制作的嵌入式操作系統文件系統安裝在瑞芯微RK3588嵌入式開發板中，使用的內核為rk3588廠商提供，編譯完成之后順利進入系統。此次制作的嵌入式文件系統發行標識為jariworks。由于在文件系統生成過程中事先配好設備網絡IP地址，同時安裝了SSH相關軟件包組件，因此通過遠程SSH方式進入嵌入式操作系統，內核版本為5.10.110，硬件類型為aarch64，系統根目錄共有28 GB存儲空間，系統網卡為eth0，IP地址為10.10.10.100。實測結果表明，基于本文描述方法構建的嵌入式操作系統文件系統能夠穩定運行在rk3588開發板上。由于文件系統與內核解耦，因此該嵌入式操作系統文件系統能穩定運行在不同的處理器和開發板上，具有高度可移植性。

4" "結束語

本文介紹了一種基于定制軟件源的嵌入式操作系統文件系統的制作方法，能夠根據提供的軟件源與所需軟件列表自動構建嵌入式操作系統文件系統鏡像，解決了buildroot、yocto等文件系統制作過程中的配置文件修改煩瑣、難以上手等問題。基于jariworks服務器操作系統軟件源構建出的jariworks嵌入式操作系統文件系統，經測試能夠穩定運行在瑞芯微RK3588嵌入式設備上，并且生成的操作系統文件系統能夠兼容不同的硬件設備。

參考文獻

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