3. 构建最小根文件系统：BusyBox、initramfs 与 rootfs.ext4

根文件系统是内核启动后挂载的第一个文件系统，它提供了 /sbin/init、Shell、基础命令以及必要的设备节点。在 QEMU 调试场景中，我们通常使用两种形态：initramfs（内存中的临时根文件系统）和 rootfs.ext4（磁盘镜像中的持久根文件系统）。本章将使用 BusyBox 构建这两种形态，并配置内核启动参数使其正确挂载。

3.1 构建流程总览

下图展示了从 BusyBox 源码到 QEMU 启动的完整构建与部署链路：

3.2 使用 BusyBox 构建用户态工具集

3.2.1 下载与配置

从 busybox.net 获取稳定版本（本文以 1.36.1 为例）：

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

执行 make menuconfig 进行配置，关键选项如下表：

3.2.2 编译与安装

# 本地编译（x86_64 调试用）
make -j$(nproc)
make install

# 交叉编译（ARM 目标）
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- -j$(nproc)
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- install

安装完成后，_install 目录结构如下：

_install/
├── bin/
│   ├── sh -> busybox
│   ├── ls -> busybox
│   ├── mount -> busybox
│   └── ... (所有命令均为指向 busybox 的符号链接)
├── sbin/
│   └── init -> ../bin/busybox
├── usr/
│   ├── bin/
│   └── sbin/
└── linuxrc -> bin/busybox

3.3 构建 initramfs

initramfs 是一个 cpio 归档，内核在初始化阶段将其解压到 tmpfs 中作为临时根文件系统。构建步骤如下：

3.3.1 创建必要目录与设备节点

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

# 创建控制台设备节点（必须，否则无法进入 Shell）
sudo mknod dev/console c 5 1
sudo mknod dev/null c 1 3

3.3.2 编写 init 脚本

创建 etc/init.d/rcS 作为启动脚本：

#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t tmpfs none /tmp

# 打印内核版本信息
cat /proc/version

# 启动 Shell
exec /bin/sh

赋予执行权限：chmod +x etc/init.d/rcS

创建 etc/inittab（BusyBox init 默认读取）：

::sysinit:/etc/init.d/rcS
::askfirst:-/bin/sh

3.3.3 打包为 cpio 归档

find . | cpio -o -H newc | gzip > ../initramfs.cpio.gz

生成的 initramfs.cpio.gz 可直接作为内核的 initramfs 源。

3.4 制作 rootfs.ext4 磁盘镜像

当需要持久化存储或测试块设备驱动时，使用 ext4 镜像更合适。

3.4.1 创建空白镜像文件

dd if=/dev/zero of=rootfs.ext4 bs=1M count=64
mkfs.ext4 -F rootfs.ext4

参数说明：

• bs=1M count=64：创建 64MB 的镜像文件，适合最小系统
• -F：强制格式化，忽略非块设备警告

3.4.2 挂载并复制文件

mkdir -p /mnt/rootfs
sudo mount -o loop rootfs.ext4 /mnt/rootfs
sudo cp -a _install/* /mnt/rootfs/

# 创建必要目录
sudo mkdir -p /mnt/rootfs/{proc,sys,dev,etc/init.d}

# 创建设备节点
sudo mknod /mnt/rootfs/dev/console c 5 1
sudo mknod /mnt/rootfs/dev/null c 1 3

# 复制 init 脚本
sudo cp etc/init.d/rcS /mnt/rootfs/etc/init.d/
sudo chmod +x /mnt/rootfs/etc/init.d/rcS

sudo umount /mnt/rootfs

3.5 内核启动参数设置

内核通过 initrd 或 root= 参数指定根文件系统来源。下表总结了两种形态的 QEMU 启动参数：

-kernel bzImage \
-initrd initramfs.cpio.gz \
-append "console=ttyS0"

-kernel bzImage \
-drive file=rootfs.ext4,format=raw,if=virtio \
-append "root=/dev/vda rw console=ttyS0"

3.6 启动验证与常见问题

3.6.1 验证步骤

1. 启动 QEMU 后观察内核日志，确认 VFS: Mounted root (ext4 filesystem) on device 254:0. 或 Unpacking initramfs... 信息。
2. 进入 Shell 后执行 ls /bin 确认 BusyBox 命令可用。
3. 执行 cat /proc/mounts 查看已挂载的文件系统。

3.6.2 常见异常与对策

3.7 两种形态的对比与选型