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# FreeBSD 和固态硬盘
* 原文：[FreeBSD and Solid State Devices](https://docs.freebsd.org/en/articles/solid-state/)
## 摘要
本文讨论了在 FreeBSD 上使用固态磁盘设备来创建嵌入式系统。
嵌入式系统由于缺少固有的活动部件（如硬盘），因此具有更高的稳定性。然而，需要考虑的是，系统中的磁盘空间通常较小，以及存储介质的耐用性。
本文将涵盖以下具体内容：适合在 FreeBSD 中使用的固态存储介质的类型和属性，相关内核选项，自动初始化这些系统的 `rc.initdiskless` 机制，文件系统只读需求，以及从零开始构建文件系统。最后，文章将总结一些适用于小型和只读 FreeBSD 环境的通用策略。
## 1. 固态磁盘设备
本文的范围将仅限于基于闪存的固态磁盘设备。闪存是一种固态存储介质（没有活动部件），并且具有非易失性（即使断电，数据仍能保持）。闪存可以承受巨大的物理冲击，且读写速度相对较快（本文讨论的闪存解决方案在写操作上略慢于 EIDE 硬盘，但在读取操作上要快得多）。闪存的一个非常重要的特性（其影响将在本文后面讨论），是每个扇区具有有限的重写次数。每个扇区只能进行有限次数的写入、擦除和重写，超过这个次数后，扇区将永久无法使用。尽管许多闪存产品会自动映射坏块，并且一些产品甚至会将写操作均匀分布到整个设备上，但无法忽视设备的写入次数限制。竞争性产品的规格通常为每个扇区支持 1,000,000 到 10,000,000 次写入，这个数字会受到环境温度的影响。
本文特别讨论的对象是 ATA 兼容的紧凑型闪存单元，这些设备广泛用于数字相机存储。其特别之处在于它们直接与 IDE 总线连接，并且兼容 ATA 命令集。因此，使用非常简单且低成本的适配器，这些设备可以直接连接到计算机的 IDE 总线。这样连接后，FreeBSD 等操作系统会将该设备视作一个正常的硬盘（虽然容量较小）。
其他类型的固态磁盘解决方案虽然存在，但由于它们的高昂价格、相对不常见以及使用难度，超出了本文的讨论范围。
## 2. 内核选项
对于那些创建嵌入式 FreeBSD 系统的人来说，有一些特定的内核选项值得关注。
所有使用闪存作为系统磁盘的嵌入式 FreeBSD 系统都应关注内存磁盘和内存文件系统。由于闪存的写入次数有限，磁盘和文件系统通常会被挂载为只读。在这种环境中，**/tmp** 和 **/var** 等文件系统通常会挂载为内存文件系统，以便系统能够创建日志、更新计数器和临时文件。内存文件系统是成功实现固态 FreeBSD 系统的关键组件。
在内核配置文件中，你应确保以下行存在：
```sh
options MD_ROOT # md 设备可作为潜在的根设备
```
## 3. `rc` 子系统与只读文件系统
嵌入式 FreeBSD 系统的启动后初始化是由 **/etc/rc.initdiskless** 控制的。
**/etc/rc.d/var** 会将 **/var** 挂载为内存文件系统，并使用 [mkdir(1)](https://man.freebsd.org/cgi/man.cgi?query=mkdir\&sektion=1\&format=html) 命令在 **/var** 中创建一个可配置的目录列表，并更改其中某些目录的权限。在执行 **/etc/rc.d/var** 时，另一个与之相关的 rc.conf 变量 `varsize` 会发挥作用。**/var** 分区会根据此变量的值在 rc.conf 中由 **/etc/rc.d/var** 创建：
```sh
varsize=8192
```
请记住，该值默认以扇区为单位。
**/var** 是一个可读写的文件系统，这一点非常重要，因为 **/** 分区（以及你可能在闪存介质上创建的其他分区）应该挂载为只读。请记住，在 [固态磁盘设备](https://docs.freebsd.org/en/articles/solid-state/#intro) 部分，我们详细介绍了闪存的限制，尤其是写入次数的限制。再怎么强调都不为过：不应该将闪存上的文件系统挂载为读写模式，同时应避免使用交换文件。因为在一个繁忙的系统中，交换文件可能会在不到一年内把闪存烧坏。大量的日志记录或临时文件的创建和销毁也会造成类似的影响。因此，除了从 **/etc/fstab** 中移除 `swap` 条目外，还应将每个文件系统的选项字段更改为 `ro`，如下所示：
```sh
# Device Mountpoint FStype Options Dump Pass#
/dev/ad0s1a / ufs ro 1 1
```
由于这个更改，系统中的一些应用程序将立即出现故障。例如，由于缺少 cron 表，`cron` 将无法正常运行，`syslog` 和 `dhcp` 等程序也会遇到问题，原因是只读文件系统以及 **/var** 中缺少 **/etc/rc.d/var** 创建的项。这些问题仅是暂时的，在 [小型和只读环境的系统策略](https://docs.freebsd.org/en/articles/solid-state/#strategies) 中，我们会介绍如何解决这些问题，并让其他常见软件包正常运行。
需要记住的是，使用 **/etc/fstab** 挂载的只读文件系统，可以随时通过以下命令切换为读写模式：
```sh
# /sbin/mount -uw partition
```
如果需要切换回只读模式，可以使用以下命令：
```sh
# /sbin/mount -ur partition
```
## 4. 从零开始构建文件系统
由于 ATA 兼容的紧凑型闪存卡被 FreeBSD 视为普通的 IDE 硬盘，因此理论上，你可以通过网络使用 kern 和 mfsroot 启动盘安装 FreeBSD，或使用 CD 安装。
然而，即使是通过常规安装程序进行的小型 FreeBSD 安装，也会生成超过 200MB 的系统大小。大多数人会使用较小的闪存设备（128MB 被认为相对较大，32MB 甚至 16MB 都是常见的），因此使用常规机制进行安装是不可行的——因为空间根本不足以容纳最小的传统安装。
克服这一空间限制的最简单方法是，通过常规方式将 FreeBSD 安装到普通硬盘上。在安装完成后，将操作系统精简至适合闪存媒体的大小，然后将整个文件系统打包成 tar 文件。以下步骤将指导你如何为 tar 打包的文件系统准备闪存。请记住，因为没有执行常规安装，所以需要手动进行分区、标签和文件系统创建等操作。除了 kern 和 mfsroot 启动盘外，你还需要使用 fixit 启动盘。
### 1. 为闪存设备分区
在使用 kern 和 mfsroot 启动盘启动后，从安装菜单中选择 `custom`。在自定义安装菜单中，选择 `partition`。在分区菜单中，使用 d 删除所有现有分区。删除所有现有分区后，使用 c 创建一个新分区，并接受分区大小的默认值。当询问分区类型时，请确保将其设置为 `165`。然后通过按 w 将分区表写入磁盘（这是该屏幕上的隐藏选项）。如果你使用的是 ATA 兼容的紧凑型闪存卡，请选择 FreeBSD 启动管理器。然后按 q 退出分区菜单。启动管理器菜单将再次出现——重复之前的选择。
### 2. 在闪存设备上创建文件系统
退出自定义安装菜单后，从主安装菜单选择 `fixit` 选项。进入 fixit 环境后，输入以下命令：
```sh
# disklabel -e /dev/ad0c
```
此时，你将借助 `disklabel` 命令进入 vi 编辑器。接下来，你需要在文件的末尾添加一个 `a:` 行。这个 `a:` 行应该类似于以下内容：
```sh
a: 123456 0 4.2BSD 0 0
```
其中，*123456* 是与现有 `c:` 项的大小相同的数字。基本上，你是将现有的 `c:` 行复制为 `a:` 行，确保文件系统类型为 `4.2BSD`。保存文件并退出。
```sh
# disklabel -B -r /dev/ad0c
# newfs /dev/ad0a
```
### 3. 将文件系统放到闪存上
挂载刚刚准备好的闪存设备：
```sh
# mount /dev/ad0a /flash
```
将这台机器接入网络，以便我们可以传输 tar 文件并将其解压到闪存文件系统中。以下是一个示例：
```sh
# ifconfig xl0 192.168.0.10 netmask 255.255.255.0
# route add default 192.168.0.1
```
现在机器已经接入网络，传输你的 tar 文件。在这个过程中，你可能会遇到一些问题——例如，如果你的闪存介质为 128MB，并且 tar 文件大于 64MB，你就不能同时将 tar 文件和解压后的内容放在闪存中——这时你会遇到空间不足的问题。如果你使用 FTP 进行传输，解决方案之一是，在传输过程中直接解压 tar 文件。如果你以这种方式进行传输，tar 文件和解压后的内容就不会同时存在于磁盘上：
```sh
ftp> get tarfile.tar "| tar xvf -"
```
如果你的 tar 文件是 gzipped 的，你可以这样做：
```sh
ftp> get tarfile.tar "| zcat | tar xvf -"
```
在 tar 文件的内容被解压到闪存文件系统后，你可以卸载闪存并重启：
```sh
# cd /
# umount /flash
# exit
```
假设你在正常硬盘上构建文件系统时正确配置了文件系统（包括将文件系统挂载为只读，并将必要的选项编译到内核中），你现在应该能够成功启动你的 FreeBSD 嵌入式系统。
## 5. 小型和只读环境的系统策略
在 [`rc` 子系统和只读文件系统](https://docs.freebsd.org/en/articles/solid-state/#ro-fs)中，指出了由 **/etc/rc.d/var** 构建的 **/var** 文件系统以及只读根文件系统的存在，会导致许多与 FreeBSD 一起使用的常见软件包出现问题。本文将提供一些成功运行 cron、syslog、Port 安装和 Apache web 服务器的建议。
### 5.1. Cron
在启动时，**/var** 会通过 **/etc/rc.d/var** 根据 **/etc/mtree/BSD.var.dist** 中的列表进行填充，因此 **cron**、**cron/tabs**、**at** 以及一些其他标准目录将被创建。
然而，这并不能解决跨重启维护 cron 表的问题。当系统重启时，内存中的 **/var** 文件系统将消失，你存放在其中的 cron 表也会消失。因此，一个解决方案是为需要的用户创建 cron 表，将 **/** 文件系统挂载为读写，并将这些 cron 表复制到一个安全的位置，例如 **/etc/tabs**，然后在 **/etc/rc.initdiskless** 的末尾添加一行，在系统初始化期间创建 **/var/cron/tabs** 目录后，将这些 cron 表复制进去。你可能还需要添加一行，使用 **/etc/rc.initdiskless** 来更改你创建的目录和复制的文件的模式和权限。
### 5.2. Syslog
**syslog.conf** 指定了存在于 **/var/log** 中的某些日志文件的位置。这些文件在系统初始化时不会由 **/etc/rc.d/var** 创建。因此，你需要在 **/etc/rc.d/var** 中的某个位置，在创建 **/var** 中的目录后，添加如下内容：
```sh
# touch /var/log/security /var/log/maillog /var/log/cron /var/log/messages
# chmod 0644 /var/log/*
```
### 5.3. 安装 Port
在讨论成功使用 Port 树所需的更改之前，必须提醒你注意闪存媒体上文件系统的只读性质。由于它们是只读的，你需要使用 [`rc` 子系统和只读文件系统](https://docs.freebsd.org/en/articles/solid-state/#ro-fs) 中显示的挂载语法暂时将其挂载为读写。在完成任何维护后，你应始终将这些文件系统重新挂载为只读——对闪存媒体的不必要写入可能会大大缩短其使用寿命。
为了能够进入 Port 目录并成功运行 `make install`，我们必须在一个非内存文件系统上创建一个包数据库目录，该目录将跨重启跟踪我们的包。由于安装包时需要将文件系统挂载为读写，因此可以合理地假设，闪存媒体上的某个区域也可以用来写入包信息。
首先，创建一个包数据库目录。通常这是在 **/var/db/pkg** 中，但由于它会在每次系统启动时消失，因此我们不能将其放在那里。
```sh
# mkdir /etc/pkg
```
接下来，在 **/etc/rc.d/var** 中添加一行，将 **/etc/pkg** 目录链接到 **/var/db/pkg**。示例如下：
```sh
# ln -s /etc/pkg /var/db/pkg
```
现在，每次你将文件系统挂载为读写并安装包时，`make install` 将正常工作，包信息将成功写入 **/etc/pkg**（因为在此时，文件系统将挂载为读写），并将始终以 **/var/db/pkg** 的形式可供操作系统访问。
### 5.4. Apache 网络服务器
> **注意**
>
> 本节中的步骤仅在 Apache 设置为将其 pid 或日志信息写入 **/var** 之外时需要。默认情况下，Apache 将其 pid 文件保存在 **/var/run/httpd.pid** 中，并将其日志文件保存在 **/var/log** 中。
现在假设 Apache 将其日志文件保存在 **apache\_log\_dir** 目录中，该目录位于 **/var** 之外。当此目录位于只读文件系统上时，Apache 将无法保存任何日志文件，并可能无法正常工作。如果是这样，就需要在 **/etc/rc.d/var** 中要创建的 **/var** 目录列表中添加一个新目录，并将 **apache\_log\_dir** 链接到 **/var/log/apache**。还需要对这个新目录设置权限和所有权。
首先，将 `log/apache` 目录添加到 **/etc/rc.d/var** 中要创建的目录列表中。
其次，在 **/etc/rc.d/var** 中的目录创建部分后添加以下命令：
```sh
# chmod 0774 /var/log/apache
# chown nobody:nobody /var/log/apache
```
最后，删除现有的 **apache\_log\_dir** 目录，并将其替换为链接：
```sh
# rm -rf apache_log_dir
# ln -s /var/log/apache apache_log_dir
```
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