鸿蒙内核源码分析(根文件系统) | 先挂到/上的文件系统

FHS | 文件系统层次结构标准

• 在 [挂载目录篇] 中提到内核为了兼容文件系统的差异性,引出了目录树的概念,目录树是由各个文件系统像搭积木一样拼接起来的,任何文件系统只需要挂载到一个目录上就能对接进来,内核抽象出统一的挂载接口,各文件系统自己实现这些接口就行. 既然目录如此重要, 就需要规范管理, 类Unix都遵循 FHS 规范,鸿蒙同样遵循.
• 文件系统层次结构标准（英语：Filesystem Hierarchy Standard，FHS）定义了Linux操作系统中的主要目录及目录内容。FHS由Linux基金会维护。 当前版本为3.0版，于2015年发布。基本目录如下:

/       根目录
    /home   用户主文件夹
    /etc    系统主要的配置文件几乎都放置在这个目录内
    /root   系统管理员（root）的主文件夹
    /bin    可以被 root 与一般账号所使用
    /sbin   这些命令只有 root 才能够利用来“设置”系统
    /lib    放置的则是在开机时会用到的函数库
    /opt    用于安装第三方应用程序的
    /dev    任何设备与接口设备都是以文件的形式存在于这个目录当中
    /proc   一个虚拟的文件系统, 它放置的数据都是在内存当中
    /sys    也是一个虚拟的文件系统，主要也是记录与内核相关的信息
    /media  放置的就是可删除的设备
    /mnt    暂时挂载某些额外的设备
    /srv    一些网络服务启动之后，这些服务所需要取用的数据目录
    /tmp    正在执行的程序暂时放置文件的地方, 系统会不定期删除

    /usr    “UNIX 操作系统软件资源” 所放置的目录
    　  /usr/bin/：   绝大部分的用户可使用命令都放在这里
    　　/usr/include/：C/C++等程序语言的头文件 header 与包含文件include放置处
    　　/usr/lib/：   包含各应用软件的函数库、目标文件以及一些不被一般用户惯用的执行文件或脚本
    　　/usr/local/： 系统管理员在本机自行安装下载的软件建议安装到此目录
    　　/usr/sbin/：  非系统正常运行所需的系统命令
    　　/usr/share/： 放置共享文件的地方
    　　/usr/src/：   一般源码建议放置到这里

    /var    该目录主要针对常态性可变动文件
        /var/cache/： 应用程序本身运行过程中会产生的一些暂存文件
    　　/var/lib/：   程序本身执行的过程中，需要的数据文件放置的目录
    　　/var/lock/：  目录下的文件资源一次只能被一个应用程序所使用
    　　/var/log/：   放置登录文件的目录
    　　/var/mail/：  放置个人电子邮件信箱的目录
    　　/var/run/：   某些程序或服务启动后的PID目录
    　　/var/spool/： 放置排队等待其他应用程程序使用的数据

什么是根文件系统

看网上有很多的文章,但基本全是一大抄,说是内核启动时所mount的第一个文件系统,这话固然是没错, 但想重新定义下这个概念, 所谓 根文件系统 就是先挂到根目录/上的文件系统. 核心是根目录 /. /目录并不必先属于哪个文件系统,否则就是先有蛋还是先有鸡的问题,所以别被蒙圈了,它跟其他文件系统没有任何区别,只是它先来,把坑/给占了,后续来的只能挂到它下面的目录上,最终形成整颗目录树.

理解了上面,就容易明白以下几个问题:

• 一个系统可以存在多个不同的文件系统,谁做根文件系统只决于内核在启动阶段想让谁做.
• 文件系统可存在于诸多介质上,例如:硬盘(mmc),闪存(flash),内存(RAM).每种介质上有其最合适配套的文件系统,mmc一般是(fat,ext),flash包括(jffs2),内存(proc,sys,tmpfs,ramfs)
• 文件系统可简单,可复杂,只要能实现内核定义的三类接口就可以称之为文件系统,哪三类接口:

• 挂载接口: MountOps ops
• 操作 inode节点接口: VnodeOps *vop
• 操作 file接口:file_operations_vfs *fop,这个接口底层实际操作的是 inode所指向的数据块.

• 不管怎样,内核启动后必须得有一个文件系统用于挂载到/下. 鸿蒙根文件系统目录结构如下:

.
    ├── app
    ├── bin
    │   ├── init
    │   ├── shell
    │   └── tftp
    ├── data
    │   └── system
    │       └── param
    ├── etc
    ├── lib
    │   ├── libc++.so
    │   └── libc.so
    ├── system
    │   ├── external
    │   └── internal
    └── usr
        ├── bin
        └── lib

这些数据是怎么来的呢 ? 比如:libc.so这种C库函数,启动后就马上需要使用的, 这需要先外部制作好,烧录到flash的指定位置. 同时注意鸿蒙制作的根文件系统并没有 /dev目录,这个在 设备文件篇 中详细说明.

根文件系统制作过程

以liteos_a内核为例,其提供了制作根文件系统的方法:

turing@ubuntu:/home/openharmony/code-v1.1.1-LTS/kernel/liteos_a$ make help
-------------------------------------------------------
1.====make help:    get help infomation of make
2.====make:         make a debug version based the .config
3.====make debug:   make a debug version based the .config
4.====make release: make a release version for all platform
5.====make release PLATFORM=xxx:  make a release version only for platform xxx
6.====make rootfsdir: make a original rootfs dir
7.====make rootfs FSTYPE=***: make a original rootfs img
8.====make test: make the testsuits_app and put it into the rootfs dir
9.====make test_apps FSTYPE=***: make a rootfs img with the testsuits_app in it
xxx should be one of (hi3516cv300 hi3516ev200 hi3556av100/cortex-a53_aarch32 hi3559av100/cortex-a53_aarch64)
*** should be one of (jffs2)

其中第七项 make rootfs, FSTYPE支持 jffs2,vfat文件格式系统

本篇跟踪敲下 make rootfs FSTYPE=jffs2后发生了什么

查看 kernel/liteos_a/Makefile

#执行 make rootfs FSTYPE=jffs2 一切从这里开始
$(ROOTFS): $(ROOTFSDIR)	#依赖于 ROOTFSDIR
	$(HIDE)$(LITEOSTOPDIR)/tools/scripts/make_rootfs/rootfsimg.sh $(ROOTFS_DIR) $(FSTYPE)	#制作镜像文件
	$(HIDE)cd $(ROOTFS_DIR)/.. && zip -r $(ROOTFS_ZIP) $(ROOTFS)	#打rootfs.zip包

解读

• 编译整个内核的目标文件

$(LITEOS_TARGET): $(__LIBS) sysroot
          $(HIDE)touch $(LOSCFG_ENTRY_SRC)
          #逐个编译子目录中的 makefile
          $(HIDE)for dir in $(LITEOS_SUBDIRS); \
          do $(MAKE) -C $$dir all || exit 1; \
          done
          # 生成 liteos.map
          $(LD) $(LITEOS_LDFLAGS) $(LITEOS_TABLES_LDFLAGS) $(LITEOS_DYNLDFLAGS) -Map=$(OUT)/$@.map -o $(OUT)/$@ --start-group $(LITEOS_LIBDEP) --end-group
      #	$(SIZE) -t --common $(OUT)/lib/*.a >$(OUT)/$@.objsize
          $(OBJCOPY) -O binary $(OUT)/$@ $(LITEOS_TARGET_DIR)/$@.bin #生成 liteos.bin 文件
          $(OBJDUMP) -t $(OUT)/$@ |sort >$(OUT)/$@.sym.sorted	#生成 liteos.sym.sorted 文件
          $(OBJDUMP) -d $(OUT)/$@ >$(OUT)/$@.asm # 生成 liteos.asm文件

• 使用 $(APPS) 编译 kernel/liteos_a/apps 目录下的各个APP 如( init,shell,tftp),这些APP也称为内置到内核的APP,

# 编译多个应用程序
      $(APPS): $(LITEOS_TARGET) sysroot #依赖于 LITEOS_TARGET , sysroot
          $(HIDE)$(MAKE) -C apps all	#执行apps目录下Makefile 的all目标, -C代表进入apps目录,

• 使用 tools/scripts/make_rootfs/rootfsdir.sh 创建根系统下的各个目录( /bin, /app, /lib).

#创建根文件系统的各个目录
     mkdir -p ${ROOTFS_DIR}/bin ${ROOTFS_DIR}/lib ${ROOTFS_DIR}/usr/bin ${ROOTFS_DIR}/usr/lib ${ROOTFS_DIR}/etc \
     ${ROOTFS_DIR}/app ${ROOTFS_DIR}/data ${ROOTFS_DIR}/proc ${ROOTFS_DIR}/dev ${ROOTFS_DIR}/data/system ${ROOTFS_DIR}/data/system/param \
     ${ROOTFS_DIR}/system ${ROOTFS_DIR}/system/internal ${ROOTFS_DIR}/system/external ${OUT_DIR}/bin ${OUT_DIR}/libs
     if [ -d "${BIN_DIR}" ] && [ "$(ls -A "${BIN_DIR}")" != "" ]; then
         cp -f ${BIN_DIR}/* ${ROOTFS_DIR}/bin
         if [ -e ${BIN_DIR}/shell ] && [ "${BIN_DIR}/shell" != "${OUT_DIR}/bin/shell" ]; then
             cp -f ${BIN_DIR}/shell ${OUT_DIR}/bin/shell #拷贝 shell 到根文件系统的 /bin下
         fi
         if [ -e ${BIN_DIR}/tftp ] && [ "${BIN_DIR}/tftp" != "${OUT_DIR}/bin/tftp" ]; then
             cp -f ${BIN_DIR}/tftp ${OUT_DIR}/bin/tftp   #拷贝 tftp 到根文件系统的 /bin下
         fi
     fi
     cp -f ${LIB_DIR}/* ${ROOTFS_DIR}/lib    #将c/c++ .so 库拷贝到根文件系统的 /lib 
     cp -f ${LIB_DIR}/* ${OUT_DIR}/libs

• 使用 prepare 创建musl目录,并将 c/c++ 库拷贝到该目录下

prepare:	#准备工作,创建 musl 目录,用于拷贝 c/c++ .so库
      $(HIDE)mkdir -p $(OUT)/musl
      ifeq ($(LOSCFG_COMPILER_CLANG_LLVM), y) #使用clang-9 ,鸿蒙默认用这个编译
          $(HIDE)cp -f $$($(CC) --target=$(LLVM_TARGET) --sysroot=$(SYSROOT_PATH) $(LITEOS_CFLAGS) -print-file-name=libc.so) $(OUT)/musl #将C库复制到musl目录下
          $(HIDE)cp -f $$($(GPP) --target=$(LLVM_TARGET) --sysroot=$(SYSROOT_PATH) $(LITEOS_CXXFLAGS) -print-file-name=libc++.so) $(OUT)/musl #将C++库复制到musl目录下
      else
          $(HIDE)cp -f $(LITEOS_COMPILER_PATH)/target/usr/lib/libc.so $(OUT)/musl
          $(HIDE)cp -f $(LITEOS_COMPILER_PATH)/arm-linux-musleabi/lib/libstdc++.so.6 $(OUT)/musl
          $(HIDE)cp -f $(LITEOS_COMPILER_PATH)/arm-linux-musleabi/lib/libgcc_s.so.1 $(OUT)/musl
          $(STRIP) $(OUT)/musl/*
      endif

• **tools/scripts/make_rootfs/rootfsimg.sh ** 生成镜像文件 rootfs_jffs2.img , 调用 mkfs.jffs2来制作 jffs2文件格式的镜像.

ROOTFS_IMG=${ROOTFS_DIR}"_"${FSTYPE}".img"
      JFFS2_TOOL=mkfs.jffs2 #linux 下 制作 jffs2镜像文件的工具
      WIN_JFFS2_TOOL=mkfs.jffs2.exe #windows 下 制作 jffs2镜像文件的工具
      chmod -R 755 ${ROOTFS_DIR}
      if [ -f "${ROOTFS_DIR}/bin/init" ]; then
          chmod 700 ${ROOTFS_DIR}/bin/init 2> /dev/null
      fi
      if [ -f "${ROOTFS_DIR}/bin/shell" ]; then
          chmod 700 ${ROOTFS_DIR}/bin/shell 2> /dev/null
      fi

      if [ "${FSTYPE}" = "jffs2" ]; then
          if [ "${system}" != "Linux" ] ; then
              tool_check ${WIN_JFFS2_TOOL}
              ${WIN_JFFS2_TOOL} -q -o ${ROOTFS_IMG} -d ${ROOTFS_DIR} --pagesize=4096
          else
              tool_check ${JFFS2_TOOL}
              ${JFFS2_TOOL} -q -o ${ROOTFS_IMG} -d ${ROOTFS_DIR} --pagesize=4096
          fi
      elif [ "${FSTYPE}" = "yaffs2" ]; then
          # to do 
      fi

• 最后用 zip 命令将 rootfs打包成 rootfs.zip,至此完成了鸿蒙根系统的制作过程.
  将增加了一个 out 目录,内容如下:

turing@ubuntu:/home/openharmony/code-v1.1.1-LTS/kernel/liteos_a/out/hi3518ev300$ ls
    bin  lib  liteos  liteos.asm  liteos.bin  liteos.map  liteos.sym.sorted  musl  obj  rootfs  rootfs_jffs2.img  rootfs.zip

• rootfs便为制作的鸿蒙根文件系统
• rootfs_jffs2.img为镜像文件,可以烧到flash中.

启动过程

这里列出启动根文件系统的相关代码

STATIC UINT32 OsSystemInitTaskCreate(VOID)
{
    UINT32 taskID;
    TSK_INIT_PARAM_S sysTask;

    (VOID)memset_s(&sysTask, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S), 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
    sysTask.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)SystemInit;
    sysTask.uwStackSize = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
    sysTask.pcName = "SystemInit";
    sysTask.usTaskPrio = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_PRIO;
    sysTask.uwResved = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
    sysTask.usCpuAffiMask = CPUID_TO_AFFI_MASK(ArchCurrCpuid());
#endif
    return LOS_TaskCreate(&taskID, &sysTask);
}

解读

• 首先内核开了一个叫SystemInit任务来处理系统初始化代码,任务入口函数为SystemInit
• SystemInit层层调用到MountPartitions,挂载分区.

SystemInit(void)
      ...
      OsMountRootfs()
        AddPartitions //注册分区驱动程序
        MountPartitions()
            #define ROOT_DEV_NAME          "/dev/spinorblk0"
            #define ROOT_DIR_NAME           "/"
            ret = mount(ROOT_DEV_NAME, ROOT_DIR_NAME, fsType, mountFlags, NULL);//

在 设备文件篇 中将详细说明 /dev/spinorblk0 的来源,简单的说就根文件系统烧录在nor flash介质设备的第一个分区上,分区名称/dev/spinorblk0只是表示一个“虚”的设备文件名而已,其背后是个实实在在的文件系统.现将它挂到 /上,结果是nor flash的第一个分区成了根文件系统.

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16.……

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