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从零开始构建嵌入式Linux最小根文件系统：BusyBox实战全解析

你有没有遇到过这样的场景？
手头一块ARM开发板，U-Boot已经跑起来了，内核也成功解压启动了——但最后却卡在一句冰冷的提示上：

Kernel panic - not syncing: No init found. Try passing init= option to kernel.

别慌。这不是硬件坏了，也不是内核编译错了，而是你缺了一个“灵魂”：根文件系统（rootfs）。

今天我们就来亲手打造这个“灵魂”，用BusyBox构建一个真正能启动、可交互、结构完整的最小化根文件系统。整个过程不依赖Yocto或Buildroot，带你深入理解嵌入式Linux最底层的启动逻辑。

为什么是 BusyBox？

在通用Linux发行版里，/bin/ls、/bin/cp、/sbin/ifconfig都是独立的可执行程序，每个都可能依赖glibc等动态库。但在资源受限的嵌入式设备中，这种设计太奢侈了。

而BusyBox的思路非常巧妙：它把上百个常用命令整合成一个静态二进制文件，通过符号链接实现“一程序多用途”。比如：

lrwxrwxrwx 1 root root 7 Jan 1 00:00 /bin/ls -> busybox lrwxrwxrwx 1 root root 7 Jan 1 00:00 /bin/cp -> busybox -rwxr-xr-x 1 root root ... busybox

当你运行ls时，内核加载的是busybox，但它会读取argv[0]的值（即”ls”），然后跳转到对应的目录列出函数执行。

官方称其为“The Swiss Army Knife of Embedded Linux”，确实贴切。

它的优势也很明确：
- 单文件集成400+工具（applets）
- 支持静态编译，摆脱动态库依赖
- 可裁剪至1MB以内
- 原生支持跨平台交叉编译（ARM/RISC-V/MIPS等）

更重要的是，它自带轻量级init和ash shell，足以支撑系统从内核过渡到用户空间。

第一步：编译并配置 BusyBox

我们从源码开始，完整走一遍流程。

下载与解压

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

配置交叉编译环境

假设目标平台是 ARM Cortex-A 系列，使用arm-linux-gnueabihf-工具链：

make menuconfig

进入图形化配置界面后，重点设置以下几项：

✅ 目标架构

Target Architecture Selection ---> Architecture: arm

✅ 编译器前缀

Cross compiler prefix (arm-linux-gnueabihf-)

✅ 构建静态二进制（强烈推荐）

Settings ---> [*] Build static binary (no shared libs)

启用这项后，生成的busybox不依赖任何.so库，非常适合无磁盘或只读存储的设备。

✅ 设置安装路径

Settings ---> (./_install) Install path prefix

这会让make install把文件输出到当前目录下的_install文件夹。

启用关键 Applets

在menuconfig中勾选必要的命令模块：

小技巧：按/键可以搜索功能名，比如输入init快速定位相关选项。

确认无误后保存退出，.config文件自动生成。

编译与安装

make -j$(nproc) # 多线程编译 make install # 安装到 _install 目录

完成后你会看到_install目录包含如下内容：

_install/ ├── bin │ ├── sh -> busybox │ ├── ls -> busybox │ └── ... ├── sbin │ ├── init -> ../bin/busybox │ └── ... ├── usr │ └── bin -> ../bin └── linuxrc -> bin/busybox

注意那个linuxrc，这是早期Linux内核默认查找的第一个用户程序，虽然现在主流用init，但仍建议保留。

第二步：搭建最小根文件系统骨架

一个合法的根文件系统必须具备基本目录结构和关键配置文件。我们现在就在_install基础上补全缺失的部分。

创建必要目录

cd _install mkdir -p etc/init.d dev proc sys tmp mnt

标准结构如下：

/ ├── bin → 命令集合（由 busybox 提供） ├── sbin → 系统管理命令 ├── usr → 子目录兼容性 ├── dev → 设备节点挂载点 ├── etc → 配置文件 ├── proc → 虚拟文件系统 ├── sys → 设备模型接口 ├── tmp → 临时空间 └── mnt → 挂载其他分区

编写初始化脚本/etc/inittab

这是BusyBox init的核心配置文件。如果没有它，系统将直接进入单用户模式运行/bin/sh。

创建文件etc/inittab：

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

解释一下每一行的作用：

• sysinit：系统首次启动时执行的初始化脚本
• respawn：保持终端 shell 持续运行，崩溃后自动重启
• ctrlaltdel：按下 Ctrl+Alt+Del 触发重启
• shutdown：关机时执行的操作
• restart：重启 init 自身

注意-符号表示登录 shell，会重定向 stdin/stdout 到控制台。

编写启动脚本/etc/init.d/rcS

这是系统真正“活起来”的第一步。我们需要在这里完成虚拟文件系统的挂载和设备节点初始化。

创建并编辑etc/init.d/rcS：

#!/bin/sh echo "Starting system initialization..." # 挂载必需的虚拟文件系统 mount -t proc none /proc mount -t sysfs none /sys mount -t tmpfs none /tmp # 启用 mdev 管理设备节点 echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug mdev -s # 设置主机名 echo "embedded" > /proc/sys/kernel/hostname # 设置 PATH 环境变量（可选） export PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin # 允许串口终端正常工作 ttyS0::askfirst:-/bin/sh

赋予执行权限：

chmod +x etc/init.d/rcS

⚠️ 特别提醒：如果使用串口调试且发现 shell 无法启动，请确保inittab或rcS中有类似ttyS0::askfirst:-/bin/sh的条目，否则init找不到控制台入口。

（可选）配置 fstab

虽然不是强制要求，但添加etc/fstab可以让系统更规范地管理挂载行为：

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

这样后续可以用mount -a一键挂载所有条目。

第三步：处理设备节点问题

/dev/console和/dev/null是系统运行的基础。没有它们，连日志都无法输出。

推荐做法：使用 mdev 自动生成

手动用mknod创建节点不仅麻烦，还容易出错。BusyBox 提供了轻量级设备管理器mdev，配合内核uevent机制即可自动创建设备文件。

只需在rcS中加上这两句：

echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug mdev -s

• 第一行注册热插拔事件处理器
• 第二行扫描现有设备并创建节点

如果你需要自定义规则，可以创建etc/mdev.conf，例如：

# 格式：设备名 匹配模式 权限 所有者:组 sd[a-z][0-9]* 0:0 660 ttyUSB[0-9]* 0:5 666

但对于最小系统，直接使用内置规则完全够用。

启动失败？这些坑你一定要避开！

即使步骤都对，实际启动时仍可能遇到各种问题。以下是几个高频“踩坑点”及解决方案：

❌ Kernel Panic: No init found

原因：内核找不到第一个用户进程。

检查清单：
- 是否设置了正确的init=参数？例如init=/sbin/init
-_install/sbin/init是否存在且为符号链接指向 busybox？
- 文件是否有可执行权限？（chmod +x）

❌ mount: mounting proc failed

原因：内核未启用 PROC 文件系统支持。

解决方法：重新配置内核，确保开启：

CONFIG_PROC_FS=y

❌ mdev: command not found

原因：BusyBox 编译时未启用mdev功能。

解决方法：回到make menuconfig，启用：

System Configuration ---> [*] mdev [*] Support /etc/mdev.conf

❌ Shell exits immediately after boot

现象：屏幕一闪而过，shell 自动退出。

根本原因：标准输入/输出未正确绑定到控制台。

排查方向：
- 内核参数是否指定了正确的 console？如console=ttyS0,115200
- SoC 的串口名称是否匹配？有些是ttyAMA0、ttymxc0等
-inittab中是否有respawn或askfirst条目？

实际应用场景举例

这套最小 rootfs 并非玩具，它在工业界有大量真实应用。

场景一：路由器 Recovery 模式

很多家用路由器刷机失败后进入的“恢复模式”，其实就是基于 BusyBox 的 initramfs。它体积小（通常 < 4MB）、启动快（< 3秒），支持 TFTP 下载新固件、修复分区表、重置密码等功能。

场景二：Initramfs 临时根系统

在 Linux 启动流程中，经常先加载一个 initramfs 作为中间阶段，用来：
- 加载加密磁盘所需的驱动
- 解锁 LUKS 分区
- 探测 SATA/NVMe 控制器并挂载真正的根分区

而这部分 initramfs，绝大多数就是由 BusyBox 构建而成。

场景三：物联网边缘节点

对于 STM32MP1、Allwinner V3s 这类低成本双核SoC，运行 Debian 显得过于笨重。而基于 BusyBox 的定制 rootfs，仅保留 MQTT 上报、看门狗监控、OTA 升级等核心功能，既能省资源又能加快启动速度。

总结：掌握最小可行系统的构建之道

通过本文的实践，你应该已经能够独立完成以下能力：

✅ 从源码编译适用于 ARM/RISC-V 的 BusyBox
✅ 构建符合POSIX规范的最小根文件系统
✅ 编写inittab和rcS实现自动化初始化
✅ 使用mdev动态管理设备节点
✅ 排查常见启动故障

更重要的是，你理解了Linux 从内核切换到用户空间的关键跃迁机制—— 这正是嵌入式工程师的核心竞争力之一。

未来如果你想进一步扩展功能，比如：
- 添加 syslog 日志服务
- 集成 dropbear SSH 替代 telnet
- 实现基于switch_root的双系统切换
- 打包成 cpio initramfs 内嵌进内核镜像

这些都可以在这个基础上逐步叠加。

如果你正在做智能家居网关、工业控制器或者教学实验箱，不妨试试亲手做一个属于自己的最小 rootfs。你会发现，原来“系统启动”这件事，并没有想象中那么神秘。

动手才是最好的学习方式。

对你来说，下一个想加入的功能是什么？欢迎在评论区分享你的想法！