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on May 1, 2023

基于 Minimal Linux Live 构建自动刷镜像U盘

最近在生产一款采用 Linux 系统的 X86 架构工控机。工控机生产过程中，通常采用 Etcher 或其它烧录工具配合1拖N硬盘对拷机进行系统镜像烧录。然而，在客户现场升级或返厂维修时，如采用上述方法则需要将工控机拆机后烧录，过程较为繁琐。因此，急需一款类似 Ghost 的工具实现自动化刷机的工具及自启动U盘。在探索过程中，初步确定了基于 Minimal Linux Live，自定义 shell 脚本及系统镜像的自启动U盘刷镜像方案。

Minimal Linux Live(以下简称MLL)是一个非常小巧的教育性 Linux 发行版，它是通过一系列自动化 Shell 脚本从头构建的。MLL提供了一个包含 Linux 内核、GNU C 库和 Busybox 等工具的核心环境。

MLL 的构建与使用

以下构建步骤基于 Ubuntu 18.04（20.04）系统。虽然 MLL 构建的iso 文件仅 10MB 大小，但是需要至少 2GB 的可以用硬盘空间，用于构建内核及其他依赖包。

从 Github 中下载最新的 Release 版本 15-Dec-2019到本地或克隆源代码：
```
$ git clone https://github.com/ivandavidov/minimal.git
$ git checkout 15-Dec-2019
```
安装构建依赖库，如 GCC、make 等，在Ubuntu 系统下直接使用以下命令安装：
```
$ sudo apt install wget make gawk gcc bc bison flex xorriso libelf-dev libssl-dev
```
执行 src 目录下的构建脚本 build_minimal_linux_live.sh,构建过程将持续20~30左右。构建完成后将会得到 minimal_linux_live.iso 与 mll_image.tgz 文件。

$ src/build_minimal_linux_live.sh

注意，使用 Ubuntu 默认的 gcc 时，构建 glibc 会报错。修复方法如下：

#文件位置： src/04_build_glibc.sh 
echo "Configuring glibc."

$GLIBC_SRC/configure \
 --prefix= \
 --with-headers=$KERNEL_INSTALLED/include \
 --without-gd \
 --without-selinux \
 --disable-werror \
 --enable-cet \ # 增加该行
 CFLAGS="$CFLAGS

接下来我们可以使用虚拟机加载 minimal_linux_live.iso ISO 镜像文件用以启动 MLL或将 MLL 以 ISO 格式写入 U盘，作为启动盘。最简单的方式是使用dd命令,如下所示：

# 注：/dev/xxx为U盘的路径
dd if=minimal_linux_live.iso of=/dev/xxx

这样U盘将被识别为一个可启动设备，在BIOS中设置U盘为启动设备后即可进入MLL。

MLL 启动过程

MLL 使用 SYSLINUX 作为启动引导器(Boot Loader)。SYSLINUX 是一个兼容 CD,U盘和PXE等多种设备的启动引导器，同时支持 BIOS 及 UEFI。下文中我们会以 BIOS 启动过程为例，分析 MLL 的其启动过程。在分析启动过程前，我们首先熟悉一下 MLL 镜像文件的结构。

ISO 镜像结构

当我们在配置文件 .config 中将 FIRMWARE_TYPE 属性设置为 bios 时，打包完成的 iso 镜像结构如下：

minimal_linux_live.iso
├── boot/
│   ├── kernel.xz
│   ├── rootfs.xz
│   └── syslinux/
├── EFI/
└── minimal/

boot/ 文件夹下包含 BIOS 启动过程中需要的所有文件。在该文件下可以找到 Linux 内核、initramfs及 SYSLINUX 启动引导。
boot/kernel.xz Linux 内核，内核初始化后会检测硬件信息并加载驱动，然后将控制权移交到 initramfs
boot/rootfs.xz 即 initramfs 文件系统。initramfs 在内核启动的早期提供用一个户态环境，用于完成在内核启动阶段不易完成的工作。内核启动后会自动解压该文件到内存文件系统中。实际的控制权移交工作由 /init shell 脚本完成。
boot/syslinux/ 文件夹包含了 ISOLINUX 引导器的可执行文件和配置文件，它是 SYSLINUX 的子项目。
minimal/ 文件夹包含了 MLL 的附加包，大多数MLL的工具由附加包提供，如 openjdk，DHCP等。

启动流程

1. BIOS 启动引导过程

PC上电后，首先会执行主板 ROM 中的 BIOS 程序(常见的有 AMI, Award,Phoenix等品牌)，执行诸如内存硬件自检、CPU与内存初始化等基本操作。
传统的 BIOS 会加载保存在启动磁盘的前440字节的 MRB 启动代码。我们可以在源码目录(${WORKSPACE}/syslinux/syslinux-*/bios/mbr/isohdpfx.bin) 中找到此代码的二进制文件。此段引导代码会查找 MRB 分区表中的活动分区，并加载文件系统中的启动引导文件(boot/syslinux/isolinux.bin)。
接下来会进入 ISOLINUX 引导的主要部分，isolinux.bin 执行后，会加载 /boot/syslinux 目录下的启动配置文件 syslinux.cfg。ISOLINUX 会根据 syslinux.cfg 中的配置启动内核镜像及初始化 initramfs。
```
# 模式进入 vga 模式
LABEL vga
LINUX  /boot/kernel.xz
APPEND vga=ask
INITRD /boot/rootfs.xz
```
即进入 Kernel 启动模式。Kernel 的启动过程，在此不再继续深入研究。

2. init 用户空间启动过程

内核初始化成功后，首先会执行 initramfs 文件系统下的 init shell 脚本。以 init shell 脚本为入口，MLL 为我们制定了一套简单易懂的启动流程。

init 首先会执行 01_prepare.sh 挂载进程树和设备文件等虚拟的内核文件系统到相应的目录树中。注意截至目前为止，所有的文件系统都是基于内存或内核的。
下一步，如果用户没有按下键盘，init 会等待用户5秒后，执行 02_overlay.sh shell 脚本。它会搜索所有的块(磁盘)设备，并查找设备上是否存在 minimal/rootfs, minimal/overlay, minimal/work 等文件目录。
- 02_overlay.sh 会基于 initramfs, rootfs, overlay 构建一个 overlayFS 文件系统。 overlayFS 文件系统常见于docker 技术。它是一种堆叠文件系统，它依赖并建立在其它的文件系统之上。它将底层文件系统中不同的目录进行“合并”，然后向用户呈现一个虚拟的文件系统。
- 构建完成后，02_overlay.sh 会继续将进程树和设备文件等虚拟的内核文件系统转移到新的 overlay 文件系统挂载点 /mnt
- 最后，它会将系统的根文件切换置 /mnt, 将 /mnt 做为新的系统根目录，完成文件系统的加载过程。
进入文件系统后，继续执行文集系统中的 /etc/03_init.sh，完成后续的系统初始化。全部流程如下所示：

# 系统初始化流程:

 /init
  |
  +--(1) /etc/01_prepare.sh
  |
  +--(2) /etc/02_overlay.sh
          |
          +-- /etc/03_init.sh
               |
               +-- /sbin/init
                    |
                    +--(1) /etc/04_bootscript.sh
                    |       |
                    |       +-- /etc/autorun/* (all scripts)
                    |
                    +--(2) /bin/sh (Alt + F1, main console)
                    |

MLL 为我们预留了 /etc/autorun/* 入口点，作为用户自启动脚本的入口。我们可以将需要启动后运行的脚本放置此文件夹下。

镜像刷新脚本

理解以上流程后，我们已经可以实现我们所需要的功能了，下面仅提供一个简单的思路。刷新镜像核心的方法是，使用 dd 命令将我们所需的系统镜像刷新到指定的磁盘设备。因此，我们首先将目标的系统镜像放入 minimal_overlay/rootfs/ 文件夹。并在autorun 文件夹下创建 minimal_overlay/rootfs/etc/autorun/10_flash.sh 脚本文件。

最简单的脚本示例如下：

dd if=/debain.img of=/dev/sdxx bs=1M

当然，这里即没有没有确认操作，也没有处理各种异常的情况，如找不到目标磁盘或者多块硬盘。但是对于工控机固定型号的刷机刚刚好。更多功能也可在此处进行扩展。

参考

https://wiki.archlinux.org/title/syslinux

https://github.com/ivandavidov/minimal

https://ivandavidov.github.io/minimal/#home

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