By Toradex 胡珊逢

1.     簡介

檔案系統對於嵌入式系統，正如記憶對於大腦，嵌入式系統失去了檔案系統，這往往是嚴重的問題，輕則導致應用無法啟動，資料丟失，嚴重的情況可能是整個系統啟動失敗。Windows 電腦的藍屏、手機變磚，這其中很大比例是由於重要系統檔案丟失、損壞所致。如何保護嵌入式檔案系統的安全，這是系統開發人員打造一款穩定、可靠產品時應該考慮的事情。

損壞檔案系統，除了外部因素如高壓、高溫、強磁場干擾儲存器外，寫檔案系統那時的突然掉電往往會造成檔案系統結構本身的損壞，例如分割槽資訊。在 Linux 嵌入式系統常見的掛載 VFS 失敗就是由於rootfs 受損所致，而這之前的 U-Boot 和 Linux kernel 往往任可以正常工作。檔案針對此類情況，將介紹如何在 iMX6 平臺上，如何使用只讀檔案系統，並將使用者應用和資料儲存在獨立的分割槽，以及利用 Toradex Easy Installer 完成分割槽和系統安裝操作。

2.     生成只讀檔案系統

Yocto/OpenEmbedded 構建框架的一個特點是，系統軟體會根據所構建的目標映象的要求自動調整編譯軟體的功能。例如在 IMAGE_FEATURES 中新增 read-only-rootfs，那麼 BSP 中包含的軟體將不會往 Flash上寫入檔案，包括系統日誌。

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.     設定分割槽掛載

修改使用者分割槽掛載目錄

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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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將系統根目錄設定為只讀狀態，並將獨立的使用者分割槽掛載到 /mnt 目錄，該目錄任具有讀寫許可權。使用者應用可以在該分割槽下儲存使用者配置檔案、應用日誌，甚至升級使用者應用本身。

4.     設定應用自啟動指令碼

由於檔案系統需要配置為只讀屬性，我們需要在 Yocto/OpenEmbedded 構建時直接包含應用開機啟動指令碼。目前 Toradex 的 Linux BSP 已經採用 systemd 啟動管理，使用者需要新增對應的 systemd service 檔案。為了方便演示，我們直接在 layers/meta-toradex-bsp-common/recipes-core/ 目錄下建立使用者自己的recipe 檔案，如 user-demo，當然你也可以在 Yocto/OpenEmbedded  根目錄中新增自己的  layer，將所需的 recipe 都包含進來，具體方法請參考這裡。

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[email protected]:~/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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啟動指令碼中使用 ConditionFileIsExecutable來判斷使用者分割槽是否成功掛載並存在可執行檔案，等待分割槽檔案準備完成後才啟動，同時設定Restart ，當啟動失敗後會再次嘗試。

最後執行命令，生成用於 ToradexEasy Installer 的安裝檔案

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bitbake console-tdx-image

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將下面檔案複製到 SD 或者 U盤中

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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 配置檔案

Toradex Easy Installer 中的 image.json  檔案可用於配置 iMX 6 模組上 Flash 的分割槽情況，並將檔案寫入對應的分割槽中。我們需要在 Flash 建立分割槽，存放使用者檔案  userapp.tar.xz，並去掉 rootfs 分割槽  want_maximised屬性。

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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 壓縮包中包含了使用者檔案，如 helloworld和 taq.mp4，直接將其壓縮成 xz 格式即可。

6.     使用者應用

由於使用者應用存放在獨立的分割槽上，因此並不需要將其整合到  Yocto/OpenEmbedded，藉助 Toradex Easy Installer 可以直接將程式、資料等寫入分割槽。以下面應用為例，應用將列印“Hello world!”，並在使用者分割槽上寫如資料檔案。該應用由上面的 user-demo.service 指令碼在開機時啟動。

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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.     測試檔案系統

檢視掛載情況

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[email protected]:/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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在只讀檔案系統上無法建立目錄

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[email protected]:~# pwd

/home/root

[email protected]:~# mkdirtestfolder

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

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UserData 分割槽下的使用者檔案

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[email protected]:/media/mmcblk0p3# ls

helloworld      lost+found       taq.mp4

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應用啟動情況

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[email protected]:~# 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!

[email protected]:~# 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.     總結

通過將 rootfs 設定為只讀模式，使用者的寫操作只縮小到一個單獨分割槽，可以降低由於 rootfs 損壞導致系統啟動失敗的發生。只讀模式的 rootfs 也會帶來其他影響，有些檔案是在系統執行時必須建立或者更新的，如密碼、random seed、SSH Keys、網路配置引數等。這些檔案的缺失使得系統無法儲存之前的配置，每次使用時都需重新建立。以上只是一個簡單的說明，如何使用只讀檔案系統提高系統穩定性。使用者也可以將應用直接整合到 BSP 中，當用戶分割槽上的檔案損壞或者丟失時，可以將其用作備份恢復。甚至採用額外的儲存介質，實現系統恢復、A/B 分割槽、OTA 等其他功能。