嵌入式Linux根文件系统制作与移植

嵌入式 Linux 根文件系统制作与移植

1. 前言

1.1 为什么需要根文件系统？

在嵌入式Linux系统中，内核（Kernel）负责硬件驱动和资源调度，而根文件系统（Root Filesystem, RootFS）则是用户空间的"地基"。它包含系统启动必需的 init 进程、Shell 命令、动态链接库、配置文件和应用程序。没有根文件系统，内核即使启动成功也会在最后一步因为 "No init found" 而崩溃。

工业级开发常见两类需求：

极致轻量（BusyBox）：用于 Flash 空间极小（<64MB）设备，或 Recovery/维护系统。
全功能集成（Buildroot/Yocto）：用于智能网关/HMI 等，需要 Qt、Python、OpenCV 等复杂库。

本文以 迅为电子 RK3568（ARMv8，Cortex-A55）为例，讲解 BusyBox 与 Buildroot 两种方案。

1.2 核心工具对比

工具	核心定位	优势	劣势	适用场景
BusyBox	极简工具集	体积极小、启动快、完全可控	依赖库/配置需手动处理	极简系统、维护系统、教学
Buildroot	自动化构建系统	一键生成（工具链+RootFS+可选内核）、易管理第三方库	编译时间长、初次配置复杂	产品级开发、快速原型验证

2. 基础准备

2.1 硬件与环境

开发板：迅为 RK3568（eMMC/SD 卡启动，2GB RAM）
主机环境：Ubuntu 20.04/22.04 LTS（64位）
交叉编译工具链 ：aarch64-linux-gnu-gcc（ARMv8 64位）
- 注意：尽量确保工具链版本与内核/BSP 配套，否则可能出现 ABI 或库不匹配问题
调试工具：USB 转串口模块
提示：RK3568 常见默认串口波特率 1,500,000 (1.5M)。请确认 CH340/CP2102 等芯片与驱动支持该波特率，否则会乱码。

2.2 RK3568 启动流程简述

U-Boot 通过 bootargs 告诉内核 rootfs 在哪（如 root=/dev/mmcblk0p2 或 root=/dev/nfs）。

3. 方案一：BusyBox 制作极简根文件系统

3.1 获取并配置 BusyBox

（1）下载源码

bash 复制代码

wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.36.1.tar.bz2
tar -jxvf busybox-1.36.1.tar.bz2
cd busybox-1.36.1

（2）配置（menuconfig）

bash 复制代码

make defconfig
make menuconfig

关键配置（针对 RK3568）：

Settings → Build static binary (no shared libs)：不勾选（动态库利于扩展；极致极简可选静态减少库管理）
Settings → Cross compiler prefix：aarch64-linux-gnu-
Settings → Destination path for 'make install'：./_install
Settings → vi-style line editing commands：建议勾选（历史、编辑更方便）
Linux System Utilities → 勾选 mdev（配合热插拔；基础节点由 devtmpfs 提供）

3.2 编译与安装

bash 复制代码

make -j$(nproc)
make install

3.3 构建 RootFS 骨架（关键步骤）

（1）创建目录结构

bash 复制代码

cd _install
mkdir -p dev etc/init.d lib lib64 home mnt proc root sys tmp var usr/lib usr/bin

AArch64 经常出现 /lib + /lib64 并存的情况，建议两者都准备。

（2）最小设备节点

在 devtmpfs 之前，这两个节点能避免很多早期启动问题：

bash 复制代码

sudo mknod -m 600 dev/console c 5 1
sudo mknod -m 666 dev/null c 1 3

3.4 完善配置文件

A. `etc/inittab`

text 复制代码

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

respawn 适合调试：shell 退出会自动重启。产品化可改为 askfirst 或启动你的主程序。

B. `etc/init.d/rcS`（启动脚本：现代化 devtmpfs + mdev 热插拔）

sh 复制代码

#!/bin/sh

# 挂载虚拟文件系统
mount -t proc  proc  /proc
mount -t sysfs sysfs /sys

# /tmp：很多程序依赖可写临时目录
mount -t tmpfs tmpfs /tmp
chmod 1777 /tmp

#  关键：devtmpfs（内核自动填充 /dev 设备节点）
# 注意：需要内核启用 CONFIG_DEVTMPFS / CONFIG_DEVTMPFS_MOUNT
mount -t devtmpfs none /dev

# mdev：用于处理热插拔（U盘/网卡热插拔等）
# 说明：hotplug 的行为与内核配置有关（部分内核可能禁用 uevent helper）
echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
mdev -s

# 网络配置（示例：eth0）
ifconfig lo 127.0.0.1 up

# 方案1：固定 IP（工业现场常用）
ifconfig eth0 192.168.1.101 netmask 255.255.255.0 up
route add default gw 192.168.1.1 2>/dev/null

# 方案2：DHCP（调试更方便，需 BusyBox 启用 udhcpc）
# udhcpc -i eth0 &

echo "System initialized using BusyBox..."

赋予执行权限：

bash 复制代码

chmod +x etc/init.d/rcS

C. `etc/fstab`

text 复制代码

proc    /proc    proc    defaults    0 0
sysfs   /sys     sysfs   defaults    0 0
tmpfs   /tmp     tmpfs   defaults    0 0

D. 用户与组配置（避免 `I have no name!`）

etc/passwd：

text 复制代码

root:x:0:0:root:/root:/bin/sh

etc/group：

text 复制代码

root:x:0:

（可选）etc/profile：

sh 复制代码

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

3.5 移植动态链接库

很多人遇到过这种现象：

文件明明存在，但运行报：No such file or directory

这通常不是文件缺失，而是动态链接器（loader）缺失或路径不对。

（1）确认 BusyBox 需要的解释器路径

在宿主机执行：

bash 复制代码

aarch64-linux-gnu-readelf -l _install/bin/busybox | grep "interpreter"

常见输出之一：

/lib/ld-linux-aarch64.so.1
或 /lib64/ld-linux-aarch64.so.1

记住它在哪个目录（lib / lib64），后面要对齐拷贝。

（2）从 sysroot 拷贝库（按目录对齐）

bash 复制代码

SYSROOT=$(aarch64-linux-gnu-gcc -print-sysroot)
echo "$SYSROOT"

推荐做法：同时准备 lib 与 lib64

bash 复制代码

# 关键：把 loader 拷对目录（lib 或 lib64）
cp -av "$SYSROOT/lib/ld-linux-aarch64.so.1"   lib/   2>/dev/null || true
cp -av "$SYSROOT/lib64/ld-linux-aarch64.so.1" lib64/ 2>/dev/null || true

# 拷贝常用运行库（根据 sysroot 实际情况，lib/lib64/usr/lib 可能存在其一或多个）
cp -av "$SYSROOT/lib/"*.so*   lib/   2>/dev/null || true
cp -av "$SYSROOT/lib64/"*.so* lib64/ 2>/dev/null || true
cp -av "$SYSROOT/usr/lib/"*.so* usr/lib/ 2>/dev/null || true

（3）剥离符号（可选，大幅减体积）

bash 复制代码

aarch64-linux-gnu-strip lib/*.so*    2>/dev/null || true
aarch64-linux-gnu-strip lib64/*.so*  2>/dev/null || true
aarch64-linux-gnu-strip usr/lib/*.so* 2>/dev/null || true

（4）检查点

bash 复制代码

ls -l lib/ld-linux-aarch64.so.1 2>/dev/null || true
ls -l lib64/ld-linux-aarch64.so.1 2>/dev/null || true

只要解释器与库齐了，BusyBox 基本就能跑。

3.6 制作 ext4 镜像与打包（确保属主为 root）

⚠️ 为保证文件属主/权限正确，打包时务必使用 sudo。

bash 复制代码

# 1) 制作空镜像（示例 128MB，按 du -sh 估算后留余量）
dd if=/dev/zero of=rootfs.ext4 bs=1M count=128
mkfs.ext4 -F rootfs.ext4

# 2) 挂载（关键：用 loop）
mkdir -p /mnt/tmp_rootfs
sudo mount -o loop rootfs.ext4 /mnt/tmp_rootfs

# 3) 拷贝（保留属性）
sudo cp -a _install/* /mnt/tmp_rootfs/
sync

# 4) 卸载
sudo umount /mnt/tmp_rootfs

4. 方案二：Buildroot 自动化构建（推荐）

Buildroot 适合需要集成 SSH、Python、Qt 等复杂功能场景。

4.1 快速配置

注意：Buildroot 不同版本 defconfig 名称可能不同。若找不到 RK3568 专用配置，优先使用 rockchip64_defconfig。

bash 复制代码

make rockchip64_defconfig
make menuconfig

必选建议：

System configuration → Root password：设置 root 密码（否则 SSH 登录不方便）
Target packages → Networking applications：勾选 dropbear（轻量）或 openssh
Target packages → Editors：勾选 vim/nano
Filesystem images：确保勾选 ext2/3/4 root filesystem 并选择 ext4

4.2 国内下载慢的解决办法

Build options → Mirrors and Download locations：配置镜像源
或提前把源码包放入 dl/ 目录

4.3 编译

bash 复制代码

make -j$(nproc)
# 输出通常在 output/images/rootfs.ext4

5. 开发调试技巧

5.1 NFS 网络根文件系统（开发效率加速器）

主机端（Ubuntu）

bash 复制代码

sudo apt-get install -y nfs-kernel-server
sudo mkdir -p /home/nvdia/rootfs_nfs

编辑 /etc/exports：

text 复制代码

/home/nvdia/rootfs_nfs *(rw,sync,no_root_squash,no_subtree_check)

重启服务：

bash 复制代码

sudo service nfs-kernel-server restart

开发板端（U-Boot）设置 bootargs

bash 复制代码

setenv bootargs "console=ttyS2,1500000 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.100:/home/nvdia/rootfs_nfs,v3,tcp rw ip=192.168.1.101:192.168.1.100:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off init=/linuxrc"
saveenv
boot

优势：在 Ubuntu 上编译完程序直接复制到 NFS 目录，板端立即运行，不用频繁烧录。

5.2 开启 SSH

简要流程：

交叉编译 dropbear 并放入 rootfs
板端生成 key：

bash 复制代码

mkdir -p /etc/dropbear
dropbearkey -t rsa -f /etc/dropbear/dropbear_rsa_host_key

启动：

bash 复制代码

dropbear

6. 常见故障排查

Kernel panic - not syncing: No init found

检查 bootargs 的 init= 是否正确（/linuxrc vs /sbin/init）
检查 linuxrc/busybox 是否可执行
最常见原因 ：动态库不全或 loader 缺失（ld-linux-aarch64.so.1）

I have no name!@rk3568:/#

缺少 /etc/passwd 与 /etc/group

服务提示 Permission denied

打包没用 sudo，属主不对
修复：sudo chown -R root:root _install 后重新打包

串口乱码

再次确认波特率是否为 1500000，以及 USB 转串口芯片/驱动是否支持

7. 总结

方案选择

极致轻量、深度定制：BusyBox
快速集成、标准化构建：Buildroot

RK3568 移植核心要点

bootargs 必须正确：console=、root=、rootfstype=、（建议）rootwait
/proc /sys /tmp 挂载正确
动态库必须匹配工具链，并确保动态链接器存在（AArch64 常见 ld-linux-aarch64.so.1）
建议准备 /dev/console /dev/null "保命节点"

核心宗旨：根据硬件资源、项目需求、开发周期，在"体积 / 功能 / 开发效率"间找到平衡。

参考资料

BusyBox：busybox.net
Buildroot：buildroot.org/docs.html
迅为电子 RK3568 开发手册（厂商资料）

嵌入式Linux根文件系统制作与移植