BusyBox与嵌入式根文件系统的关系详解

比喻理解：
BusyBox ≈ 瑞士军刀（多功能工具集）
文件系统 ≈ 工具箱（存放和使用工具的地方）

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│              完整的嵌入式Linux系统                │
├──────────────┬──────────────────────────────────┤
│   内核层     │   根文件系统层                    │
│              ├──────────────────────────────────┤
│ Linux Kernel │  initramfs / jffs2 / ubifs / ... │
│              │         ↓                        │
│              │     /bin /sbin /usr /etc ...     │
│              │         ↓                        │
│              │    ┌────────────┐                │
│              │    │  BusyBox   │←── 关键组件！  │
│              │    │ (工具箱)   │                │
│              │    └────────────┘                │
└──────────────┴──────────────────────────────────┘

传统Unix系统 vs BusyBox嵌入式系统：

传统Unix：          BusyBox：
/bin/ls             ┌─────────────────────┐
/bin/cp             │      busybox        │
/bin/mkdir          ├─────────────────────┤
/bin/rm             │ 符号链接：           │
... 上百个单独命令   │ ls → busybox        │
                    │ cp → busybox        │
                    │ mkdir → busybox     │
                    │ rm → busybox        │
                    │ ... 所有命令共用     │
                    │ 同一个二进制文件    │
                    └─────────────────────┘
优势：体积小、节省空间、高度集成

典型嵌入式根文件系统结构：
/
├── bin/           ← BusyBox主程序在这里！
│   ├── busybox    (实际的BusyBox二进制文件)
│   ├── sh → busybox    (符号链接)
│   ├── ls → busybox    (符号链接)
│   └── ... 更多链接
├── sbin/
│   ├── init → ../bin/busybox
│   ├── ifconfig → ../bin/busybox
│   └── ...
├── etc/
│   ├── init.d/    (启动脚本)
│   ├── inittab    (BusyBox init配置)
│   └── ...
└── lib/           (动态库，可选)

文件系统：cramfs 或 romfs
BusyBox配置：静态编译，仅核心功能
体积：~500KB
包含命令：init, sh, mount, ls, cat, echo
优点：极简、启动快、占用资源少

文件系统：squashfs(系统) + jffs2(配置)
BusyBox配置：动态链接，中等功能集
体积：~2MB
包含命令：完整shell、网络工具、文件操作
优点：平衡体积与功能，支持配置更新

文件系统：ubifs
BusyBox配置：完整功能+自定义applets
体积：~5MB
包含命令：所有工具+自定义命令
优点：功能全面，适合复杂应用

文件系统：initramfs
BusyBox配置：救援专用功能集
体积：~8MB（可接受，在内存中）
包含命令：网络、磁盘、修复工具
优点：独立运行，无需底层系统

# 下载和解压
wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.36.1.tar.bz2
tar xjf busybox-1.36.1.tar.bz2
cd busybox-1.36.1

# 配置（菜单界面选择需要的功能）
make menuconfig

# 重要配置选项：
# Settings → Build Options → 
#   [*] Build static binary (no shared libs)  # cramfs/romfs需要
#   [ ] Build shared libbusybox               # 动态链接可选
#   [*] Build with Large File Support         # 大文件支持

# 编译
make -j4
make install

# 创建基本目录
mkdir -p rootfs/{bin,sbin,etc,proc,sys,dev,lib,usr,home}

# 复制BusyBox
cp -a busybox-1.36.1/_install/* rootfs/

# 创建符号链接
cd rootfs/bin
ln -s busybox sh
ln -s busybox ls
ln -s busybox cat
# ... 创建所有需要的链接

# 创建inittab（BusyBox init配置文件）
cat > rootfs/etc/inittab << EOF
::sysinit:/etc/init.d/rcS
::respawn:/sbin/getty -L ttyAMA0 115200 vt100
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdown:/bin/umount -a -r
EOF

# 创建启动脚本
mkdir -p rootfs/etc/init.d
cat > rootfs/etc/init.d/rcS << EOF
#!/bin/sh
# 挂载虚拟文件系统
mount -t proc proc /proc
mount -t sysfs sysfs /sys
mount -t devtmpfs devtmpfs /dev

# 设置主机名
hostname embedded-system

# 创建必要的设备节点
mknod /dev/console c 5 1
EOF
chmod +x rootfs/etc/init.d/rcS

# 1. 制作cramfs
mkcramfs rootfs rootfs.cramfs

# 2. 制作squashfs
mksquashfs rootfs rootfs.squashfs -comp xz

# 3. 制作jffs2（需要知道闪存参数）
mkfs.jffs2 -r rootfs -o rootfs.jffs2 -e 0x20000 -s 0x800

# 4. 制作ubifs（通过UBI层）
mkfs.ubifs -r rootfs -m 2048 -e 124KiB -c 1000 -o rootfs.ubifs

┌─────────┐  加载内核    ┌──────────────┐  挂载根文件系统  ┌─────────────┐
│Bootloader│───────────▶│ Linux Kernel │───────────────▶│  根文件系统  │
└─────────┘            └──────────────┘                │ (jffs2/ubifs)│
                                                        └──────┬───────┘
                                                               │找到并执行init
                                                        ┌──────▼───────┐
                                                        │ /sbin/init   │
                                                        │ (BusyBox符号链接)│
                                                        └──────┬───────┘
                                                               │读取配置
                                                        ┌──────▼───────┐
                                                        │ /etc/inittab │
                                                        │ (BusyBox格式)│
                                                        └──────┬───────┘
                                                               │启动服务
                                                        ┌──────▼───────┐
                                                        │ BusyBox工具  │
                                                        │ shell、服务等 │
                                                        └──────────────┘

BusyBox init启动过程：
        开始
          ↓
  解析/etc/inittab
          ↓
  执行sysinit操作
          ↓
 ┌──────────────┐
 │启动shell/登录│
 │或运行指定服务│
 └──────┬───────┘
        ↓
  等待事件/命令
        ↓
  处理信号/重启

启动时间分解示例（假设100MB根文件系统）：

方案A：jffs2 + 动态BusyBox
1. 挂载jffs2: 2.5秒（扫描时间长）
2. 加载动态库: 0.3秒
3. BusyBox init: 0.1秒
总时间: ~2.9秒

方案B：ubifs + 静态BusyBox  
1. 挂载ubifs: 0.5秒（快速挂载）
2. 加载动态库: 0秒（静态）
3. BusyBox init: 0.1秒
总时间: ~0.6秒

结论：文件系统选择对启动时间影响巨大！

存储占用对比（相同功能集）：
┌──────────────────┬────────────┬────────────┐
│    方案          │ BusyBox大小 │ 总系统大小 │
├──────────────────┼────────────┼────────────┤
│ cramfs + 静态    │ 1.2MB      │ 8MB        │
│ squashfs + 动态  │ 800KB +    │ 10MB       │
│                  │ 库文件     │            │
│ jffs2 + 完整动态 │ 600KB +    │ 15MB       │
│                  │ 完整库     │            │
└──────────────────┴────────────┴────────────┘
选择策略：空间紧张选cramfs+静态，功能需要选动态

可能原因：inittab格式错误
解决方案：
# 检查inittab格式
cat /etc/inittab
# 正确格式示例：
::sysinit:/etc/init.d/rcS
::respawn:/bin/sh
::ctrlaltdel:/sbin/reboot

现象：bash: ls: command not found
原因：BusyBox符号链接未创建
解决：
# 进入根文件系统
cd /bin
# 创建链接
ln -sf busybox ls
ln -sf busybox cp
# 或使用BusyBox安装脚本
busybox --install -s

现象：修改配置重启后丢失
原因：使用cramfs/romfs等只读文件系统
解决方案：
# 方案A：使用overlayfs叠加可写层
mount -t overlay overlay -o lowerdir=/,upperdir=/tmp/overlay,workdir=/tmp/work /mnt

# 方案B：使用可写文件系统（jffs2/ubifs）存储配置

现象：系统启动后内存耗尽
诊断：查看BusyBox大小
ls -lh /bin/busybox
解决：
# 重新编译BusyBox，精简功能
make menuconfig
# 禁用不需要的applets
# 使用静态编译减少依赖

initramfs中的BusyBox作为"急救员"：
职责：
• 加载必要的硬件驱动
• 挂载真正的根文件系统
• 执行系统修复操作
• 提供紧急shell环境

配置特点：
• 静态编译，独立运行
• 包含磁盘工具（fdisk, fsck）
• 包含网络工具（用于网络启动）

cramfs/squashfs + BusyBox的写操作问题：
┌─────────────────────────────────────┐
│ 只读根文件系统                        │
│ / (cramfs)                          │
│   ├── bin/busybox (只读)             │
│   ├── etc/ (只读)                    │
│   └── ...                           │
├─────────────────────────────────────┤
│ 可写overlay层                        │
│ /tmp/overlay                        │
│   ├── etc/passwd (修改后的)          │
│   └── var/log/ (日志文件)            │
└─────────────────────────────────────┘

BusyBox配置：
• 日志写到/tmp或/var（指向可写分区）
• 配置文件通过overlayfs修改

ubifs大容量方案：
/ (ubifs, 可读写)
├── busybox完整部署
├── 用户应用程序
├── 配置文件（直接可写）
├── 日志系统
└── 软件更新区域

优势：
• 无需overlayfs等复杂方案
• 直接修改所有文件
• 适合复杂应用场景

        功能丰富度
           ↑
    ubifs+完整BusyBox
           |
jffs2+中等 ──┼── squashfs+核心
           |
     cramfs+最小
           ↓
        成本/体积
           
实际选择：根据项目在三角形中找平衡点