原创 Linux只读文件系统

By Toradex 胡珊逢

1.     简介

文件系统对于嵌入式系统，正如记忆对于大脑，嵌入式系统失去了文件系统，这往往是严重的问题，轻则导致应用无法启动，数据丢失，严重的情况可能是整个系统启动失败。Windows 电脑的蓝屏、手机变砖，这其中很大比例是由于重要系统文件丢失、损坏所致。如何保护嵌入式文件系统的安全，这是系统开发人员打造一款稳定、可靠产品时应该考虑的事情。

损坏文件系统，除了外部因素如高压、高温、强磁场干扰存储器外，写文件系统那时的突然掉电往往会造成文件系统结构本身的损坏，例如分区信息。在 Linux 嵌入式系统常见的挂载 VFS 失败就是由于rootfs 受损所致，而这之前的 U-Boot 和 Linux kernel 往往任可以正常工作。文件针对此类情况，将介绍如何在 iMX6 平台上，如何使用只读文件系统，并将用户应用和数据保存在独立的分区，以及利用 Toradex Easy Installer 完成分区和系统安装操作。

2.     生成只读文件系统

Yocto/OpenEmbedded 构建框架的一个特点是，系统软件会根据所构建的目标镜像的要求自动调整编译软件的功能。例如在 IMAGE_FEATURES 中添加 read-only-rootfs，那么 BSP 中包含的软件将不会往 Flash上写入文件，包括系统日志。

在 local.conf 配置

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EXTRA_IMAGE_FEATURES = "debug-tweakspackage-management read-only-rootfs"

DISTRO_EXTRA_RDEPENDS_remove = " angstrom-libc-fixup-hack"

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3.     设置分区挂载

修改用户分区挂载目录

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layers/meta-toradex-demos/recipes-core/base-files/base-files/fstab

/dev/root           /                   auto      ro,noatime              1  1

proc                /proc               proc      defaults             0  0

devpts              /dev/pts            devpts     mode=0620,gid=5       0  0

usbdevfs            /proc/bus/usb        usbdevfs   noauto               0  0

tmpfs               /run                tmpfs      mode=0755,nodev,nosuid,strictatime0  0

tmpfs               /var/volatile        tmpfs      defaults             0  0

# uncomment this if your device has aSD/MMC/Transflash slot

#/dev/mmcblk0p1      /media/card         auto      defaults,sync,noauto  0 0

/dev/mmcblk0p3       /mnt         ext4      defaults,sync,noauto  0 0

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将系统根目录设置为只读状态，并将独立的用户分区挂载到 /mnt 目录，该目录任具有读写权限。用户应用可以在该分区下保存用户配置文件、应用日志，甚至升级用户应用本身。

4.     设置应用自启动脚本

由于文件系统需要配置为只读属性，我们需要在 Yocto/OpenEmbedded 构建时直接包含应用开机启动脚本。目前 Toradex 的 Linux BSP 已经采用 systemd 启动管理，用户需要添加对应的 systemd service 文件。为了方便演示，我们直接在 layers/meta-toradex-bsp-common/recipes-core/ 目录下创建用户自己的recipe 文件，如 user-demo，当然你也可以在 Yocto/OpenEmbedded  根目录中添加自己的  layer，将所需的 recipe 都包含进来，具体方法请参考这里。

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tdx_cn_ben@LinuxDevSH1:~/Toradex/OE/v2.7/layers/meta-toradex-bsp-common/recipes-core/user-demo$tree -L 2

.

├── files

│   └── user-demo.service

└── user-demo.bb

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user-demo.bb

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SUMMARY = "Add user demo"

DESCRIPTION = "create folder withinhome and install auto-run service script"

LICENSE = "CLOSED"

PR = "r3"

SRC_URI =  " \

    file://user-demo.service \

"

do_install () {

    install-m 0644 ${WORKDIR}/user-demo.service ${D}${systemd_unitdir}/system

}

NATIVE_SYSTEMD_SUPPORT = "1"

SYSTEMD_PACKAGES = "${PN}"

SYSTEMD_SERVICE_${PN} = "user-demo.service"

inherit allarch systemd

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user-demo.service

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[Unit]

Description=launch user's demo on dedicatedpartition

ConditionFileIsExecutable=/mnt/helloworld

StartLimitIntervalSec=200

StartLimitBurst=5

After=multi-user.target

[Service]

Type=simple

ExecStart=/mnt/helloworld

Restart=on-failure

RestartSec=10

[Install]

WantedBy=multi-user.target

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启动脚本中使用 ConditionFileIsExecutable来判断用户分区是否成功挂载并存在可执行文件，等待分区文件准备完成后才启动，同时设置Restart ，当启动失败后会再次尝试。

最后执行命令，生成用于 ToradexEasy Installer 的安装文件

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bitbake console-tdx-image

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将下面文件复制到 SD 或者 U盘中

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├── Colibri-iMX6_Console-Image.bootfs.tar.xz

├──Colibri-iMX6_Console-Image.rootfs.tar.xz

├── image.json

├── prepare.sh

├── slides_vga

├── SPL

├── toradexlinux.png

├── u-boot.imx

├── userapp.tar.xz

└── wrapup.sh

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5.     修改 image.json 配置文件

Toradex Easy Installer 中的 image.json  文件可用于配置 iMX 6 模块上 Flash 的分区情况，并将文件写入对应的分区中。我们需要在 Flash 创建分区，存放用户文件  userapp.tar.xz，并去掉 rootfs 分区  want_maximised属性。

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{

                   "want_maximised": false,

                   "content": {

                       "mkfs_options": "-E nodiscard",

                       "filesystem_type": "ext4",

                       "uncompressed_size": 140.03515625,

                       "filename":"Colibri-iMX6_Console-Image.rootfs.tar.xz",

                       "label": "RFS"

                   },

                   "partition_size_nominal": 512

               },

               {

                   "want_maximised": true,

                   "content": {

                       "mkfs_options": "-E nodiscard",

                       "filesystem_type": "ext4",

                       "uncompressed_size": 7.01,

                       "filename": "userapp.tar.xz",

                       "label": "UserData"

                   },

                   "partition_size_nominal": 512

      }

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userapp.tar.xz 压缩包中包含了用户文件，如 helloworld和 taq.mp4，直接将其压缩成 xz 格式即可。

6.     用户应用

由于用户应用存放在独立的分区上，因此并不需要将其集成到  Yocto/OpenEmbedded，借助 Toradex Easy Installer 可以直接将程序、数据等写入分区。以下面应用为例，应用将打印“Hello world!”，并在用户分区上写如数据文件。该应用由上面的 user-demo.service 脚本在开机时启动。

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int main(int argc,char *argv[]){

 int file_hd;

 unsigned chardata[16]={0x00,0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0c,0x0d,0x0e,0x0f};

 file_hd = open ("/mnt/log-file",O_CREAT |O_WRONLY | O_TRUNC);

 if(file_hd==-1)

 {

      printf("filecreate failed");

      return -1;

 }

 write (file_hd,(unsigned char *)data, 16);

 close(file_hd);

 printf("Hello world!\n");

 return 0;

}

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7.     测试文件系统

查看挂载情况

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root@colibri-imx6:/etc/udev/rules.d# mount -l

/dev/mmcblk0p2 on / type ext4 (ro,noatime,data=ordered) [RFS]

…… 

/dev/mmcblk0p3 on /media/mmcblk0p3 typeext4 (rw,relatime,data=ordered)[UserData]

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在只读文件系统上无法创建目录

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root@colibri-imx6:~# pwd

/home/root

root@colibri-imx6:~# mkdirtestfolder

mkdir: can't create directory 'testfolder':Read-only file system

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UserData 分区下的用户文件

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root@colibri-imx6:/media/mmcblk0p3# ls

helloworld      lost+found       taq.mp4

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应用启动情况

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root@colibri-imx6:~# journalctl-u user-demo.service

-- Logs begin at Wed 2018-03-07 04:48:18UTC, end at Mon 2018-03-12 08:30:56 UTC. --

Mar 12 08:30:51 colibri-imx6 systemd[1]:Started launch user's demo on dedicated partition.

Mar 12 08:30:51 colibri-imx6 helloworld[522]:Hello world!

root@colibri-imx6:~# hexdump-b /mnt/log-file 

0000000 000 001 002 003 004 005 006 007 010011 012 013 014 015 016 017

0000010

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8.     总结

通过将 rootfs 设置为只读模式，用户的写操作只缩小到一个单独分区，可以降低由于 rootfs 损坏导致系统启动失败的发生。只读模式的 rootfs 也会带来其他影响，有些文件是在系统运行时必须创建或者更新的，如密码、random seed、SSH Keys、网络配置参数等。这些文件的缺失使得系统无法保存之前的配置，每次使用时都需重新建立。以上只是一个简单的说明，如何使用只读文件系统提高系统稳定性。用户也可以将应用直接集成到 BSP 中，当用户分区上的文件损坏或者丢失时，可以将其用作备份恢复。甚至采用额外的存储介质，实现系统恢复、A/B 分区、OTA 等其他功能。