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在早期的Linux系统中，一般就只有软盘或者硬盘被用来作为Linux的根文件系统，因此很容易把这些设备的驱动程序集成到内核中。但是现在根文件系统可能保存在各种存储设备上，包括SCSI, SATA, U盘等等。因此把这些设备驱动程序全部编译到内核中显得不太方便。在Linux内核模块自动加载机制的介绍中，我们看到利用udevd可以实现实现内核模块的自动加载，因此我们希望根文件系统的设备驱动程序也能够实现自动加载。但是这里有一个矛盾，udevd是一个可执行文件，在根文件系统被挂载前，是不可能执行udevd的，但是如果udevd没有启动，那就无法自动加载根根据系统设备的驱动程序，同时也无法在/dev目录下建立相应的设备节点。为了解决这个矛盾，于是出现了initrd（boot loader initialized RAM disk）。initrd是一个被压缩过的小型根目录，这个目录中包含了启动阶段中必须的驱动模块，可执行文件和启动脚本。包括上面提到的udevd,当系统启动的时候，booload会把initrd文件读到内存中，然后把initrd的起始地址告诉内核。内核在运行过程中会解压initrd,然后把 initrd挂载为根目录，然后执行根目录中的/initrc脚本，您可以在这个脚本中运行initrd中的udevd,让它来自动加载设备驱动程序以及在/dev目录下建立必要的设备节点。在udevd自动加载磁盘驱动程序之后，就可以mount真正的根目录，并切换到这个根目录中。 您可以通过下面的方法来制作一个initrd文件。 # dd if=/dev/zero of=initrd.img bs=4k count=1024 # mkfs.ext2 -F initrd.img # mount -o loop initrd.img /mnt # cp -r miniroot/* /mnt # umount /mnt # gzip -9 initrd.img 通过上面的命令，我们制作了一个4M的initrd,其中miniroot就是一个根目录。最后我们得到一个名为initrd.img.gz的压缩文件。 利用initrd内核在启动阶段可以顺利的加载设备驱动程序，然而initrd存在以下缺点： initrd大小是固定的，例如上面的压缩之前的initrd大小是4M（4k*1024），假设您的根目录（上例中的miniroot/）总大小仅仅是 1M,它仍然要占用4M的空间。如果您在dd阶段指定大小为1M,后来发现不够用的时候，必须按照上面的步骤重新来一次。 initrd是一个虚拟的块设备，在上面的例子中，您可是使用fdisk对这个虚拟块设备进行分区。在内核中，对块设备的读写还要经过缓冲区管理模块，也就是说，当内核读取initrd中的文件内容时，缓冲区管理层会认为下层的块设备速度比较慢，因此会启用预读和缓存功能。这样initrd本身就在内存中，同时块设备缓冲区管理层还会保存一部分内容。为了避免上述缺点，于是出现了initramfs,它的作用和initrd类似，您可以使用下面的方法来制作一个initramfs: # find miniroot/ | cpio -c -o > initrd.img # gzip initrd.img 这样得到的initrd.img大小是可变的，它取决于您的小型根目录miniroot/的总大小，由于首选使用cpio把根目录进行打包，因此这个initramfs又被称为cpio initrd. 在系统启动阶段，bootload除了从磁盘上机制内核镜像bzImage之外，还要加载initrd.img.gz,然后把initrd.img.gz 的起始地址传递给内核。能不能把这两个文件合二为一呢？答案是肯定的，在Linux 2.6的内核中，可以把initrd.img.gz链接到内核文件（ELF格式）的一个特殊的数据段中，这个段的名字为。init.ramfs.其中全局变量__initramfs_start和__initramfs_end分别指向这个数据段的起始地址和结束地址。内核启动时会对。init.ramfs段中的数据进行解压，然后使用它作为临时的根文件系统。别看这个过程复杂，您只需要在make menuconfig中配置以下选项就可以了： General setup ---> [*] Initial RAM filesystem and RAM disk （initramfs/initrd） support （/miniroot/） Initramfs source file（s） 其中/miniroot/就是我们的小型根目录。这样就只需要一个内核镜像文件就可以了。 内核在启动过程中，必须对以下几种情况进行处理： 如果。init.ramfs数据段大小不为0（initramfs_end - initramfs_start != 0），就说明这是initrd集成在内核数据段中。并且是cpio的initrd. initrd是由bootloader加载到内存中的，这时bootloader会把起始地址和结束地址传递给内核，内核中的全局 initrd_start和initrd_end分别指向initrd的起始地址和结束地址。现在内核还需要判断这个initrd是新式的cpio格式的 initrd还是旧的initrd. initrd 和 initramfs在内核中的处理 临时的根目录rootfs的挂载 首选在内核启动过程，会初始化rootfs文件系统，rootfs和tmpfs都是内存中的文件系统，其类型为ramfs. 然后会把这个rootf挂载到根目录。 其代码如下： [start_kernel（） -> vfs_caches_init（） -> mnt_init（）] void __init mnt_init（void） { …… init_rootfs（）； init_mount_tree（）； } init_rootfs（）注册rootfs文件系统，代码如下： static struct file_system_type rootfs_fs_type = { .name = "rootfs", .get_sb = rootfs_get_sb, .kill_sb = kill_litter_super, }; int __init init_rootfs（void） { err = register_filesystem（&rootfs_fs_type）； …… return err; } init_mount_tree会把rootfs挂载到/目录，代码如下： static void __init init_mount_tree（void） { struct vfsmount *mnt; struct mnt_namespace *ns; mnt = do_kern_mount（"rootfs", 0, "rootfs", NULL）； …… set_fs_pwd（current->fs, ns->root, ns->root->mnt_root）； set_fs_root（current->fs, ns->root, ns->root->mnt_root）； } do_kern_mount（）会调用前面注册的rootfs文件系统对象的rootfs_get_sb（）函数， [rootfs_get_sb（） -> ramfs_fill_super（） -> d_alloc_root（）] struct dentry * d_alloc_root（struct inode * root_inode） { struct dentry *res = NULL; if （root_inode） { static const struct qstr name = { .name = "/", .len = 1 }; res = d_alloc（NULL, &name）； if （res） { res->d_sb = root_inode->i_sb; res->d_parent = res; d_instantiate（res, root_inode）； } } return res; } 从上面的代码中的可以看出，这个rootfs的dentry对象的名字为"/",也就是根目录了。 initrd的解压缩 在start_kernel（）的最后，调用rest_init（），rest_init（）会建立一个新的内核进程，并在这个内核进程中执行 kernel_init（）函数，kernel_init（）会调用populate_rootfs（）来探测和解压initrd文件。这个函数需要处理上面的几种initrd的情况。 [kernel_init（） -> populate_rootfs（）] static int __init populate_rootfs（void） { /* 如果__initramfs_end - __initramfs_start不为0,就说明这是和内核文件集成在一起的cpio的intrd.*/ char *err = unpack_to_rootfs（__initramfs_start, __initramfs_end - __initramfs_start, 0）； if （err） panic（err）； #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD /* 如果initrd_start不为0,说明这是由bootloader加载的initrd, * 那么需要进一步判断是cpio格式的initrd,还是老式块设备的initrd. */ if （initrd_start） { #ifdef CONFIG_BLK_DEV_RAM int fd; /* 首先判断是不是cpio格式的initrd,也就是这里说的initramfs.*/ printk（KERN_INFO "checking if image is initramfs…"）； /* 这里unpack_to_rootfs（）的最后一个参数为1,表示check only,不会执行解压缩。*/ err = unpack_to_rootfs（（char *）initrd_start, initrd_end - initrd_start, 1）； if （！err） { /* 如果是cpio格式的initrd,把它解压到前面挂载的根文件系统上，然后释放initrd占用的内存。*/ printk（" it is/n"）； unpack_to_rootfs（（char *）initrd_start, initrd_end - initrd_start, 0）； free_initrd（）； return 0; } /* 如果执行到这里，说明这是旧的块设备格式的initrd. * 那么首先在前面挂载的根目录上创建一个initrd.image文件， * 再把initrd_start到initrd_end的内容写入到/initrd.image中， * 最后释放initrd占用的内存空间（它的副本已经保存到/initrd.image中了。）。 */ printk（"it isn't （%s）； looks like an initrd/n", err）； fd = sys_open（"/initrd.image", O_WRONLY|O_CREAT, 0700）； if （fd >= 0） { sys_write（fd, （char *）initrd_start, initrd_end - initrd_start）； sys_close（fd）； free_initrd（）； } …… return 0; } rootfs_initcall（populate_rootfs）； 经过populate_rootfs（）函数的处理之后，如果是cpio格式的initrd,那么unpack_to_rootfs（）函数已经把目录解压缩到之前mount的根目录上面了。但是如果是旧的块设备的initrd,unpack_to_rootfs（）函数解压缩后得到的是一个块虚拟的设备镜像文件/initrd.image,对于这种情况，还需要进一步处理才能使用。接下来，kernel_init（）就要处理这种情况。 static int __init kernel_init（void * unused） { …… do_basic_setup（）； /* 内核启动时，可以通过启动参数 rdinit=xxx 来指定启动的最后阶段，需要运行initrd中的哪一个可执行文件， * 如果指定了这个参数，那么ramdisk_execute_command就会指向xxx这字符串，新cpio格式的initrd默认执行/init. * 因此，如果如果ramdisk_execute_command为NULL, 就把它设置为/init. */ if （！ramdisk_execute_command） ramdisk_execute_command = "/init"; /* 现在，尝试访问ramdisk_execute_command,默认为/init,如果访问失败，说明根目录上不存在这个文件。 * 于是调用prepare_namespace（），进一步检查是不是旧的块设备的initrd * （在这种情况下，还是一个块设备镜像文件/initrd.image,所以访问/init文件失败。）。 */ if （sys_access（（const char __user *） ramdisk_execute_command, 0） != 0） { ramdisk_execute_command = NULL; prepare_namespace（）； } init_post（）； return 0; } 老式的initrd的处理 prepare_namespace（）用于处理老式的initrd. [kernel_init（） -> prepare_namespace（） -> initrd_load（）] int __init initrd_load（void） { if （mount_initrd） { create_dev（"/dev/ram", Root_RAM0）； if （rd_load_image（"/initrd.image"） && ROOT_DEV != Root_RAM0） { sys_unlink（"/initrd.image"）； handle_initrd（）； return 1; } } sys_unlink（"/initrd.image"）； return 0; } initrd_load（）执行以下步骤： 调用create_dev（）建立设备文件节点/dev/ram,其实这也是一个ramfs文件系统。 调用rd_load_image（）把/initrd.image加载到/dev/ram中。 调用handle_initrd（）把把块设备文件/dev/ram挂载到/root. 其中handle_initrd（）代码如下： [kernel_init（） -> prepare_namespace（） -> initrd_load（） -> handle_initrd（）] static void __init handle_initrd（void） { …… real_root_dev = new_encode_dev（ROOT_DEV）； /* 建立/dev/root.old设备文件。*/ create_dev（"/dev/root.old", Root_RAM0）； /* 把/dev/root.old mount到/root目录。*/ /* mount initrd on rootfs' /root */ mount_block_root（"/dev/root.old", root_mountflags & ~MS_RDONLY）； sys_mkdir（"/old", 0700）； root_fd = sys_open（"/", 0, 0）； old_fd = sys_open（"/old", 0, 0）； /* move initrd over / and chdir/chroot in initrd root */ sys_chdir（"/root"）； sys_mount（".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL）； /* chroot到/root目录，好了，现在/root目录成为当前的根目录。*/ sys_chroot（"."）； /* * In case that a resume from disk is carried out by linuxrc or one of * its children, we need to tell the freezer not to wait for us. */ current->flags |= PF_FREEZER_SKIP; /* 建立一个线程，执行/linuxrc,这是旧的initrd默认执行的文件。*/ pid = kernel_thread（do_linuxrc, "/linuxrc", SIGCHLD）； …… } cpio格式的initrd的处理 对于新的cpio格式的initrd不需要额外的处理，因此kernel_init（）继续执行： [kernel_init（） -> init_post（）] static int noinline init_post（void） { …… /* 打开console,注意如果cpio格式的根目录中不存在/dev/console文件， * 在unpack_to_rootfs（）函数也会建立这个设备文件。 */ if （sys_open（（const char __user *） "/dev/console", O_RDWR, 0） < 0） printk（KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console./n"）； /* 现在，标准输入，标准输出和标准错误全部都是/dev/console.*/ （void） sys_dup（0）； （void） sys_dup（0）； /* 执行ramdisk_execute_command指定的命令，默认为/init.*/ if （ramdisk_execute_command） { run_init_process（ramdisk_execute_command）； printk（KERN_WARNING "Failed to execute %s/n", ramdisk_execute_command）； } …… run_init_process（"/sbin/init"）； run_init_process（"/etc/init"）； run_init_process（"/bin/init"）； run_init_process（"/bin/sh"）； panic（"No init found. Try passing init= option to kernel."）； } 在调用run_init_process（）执行/init之后，这个函数就不会返回了，一般的发行版本的Linux中，initrd中的/init脚本会启动udevd,加载必要的设备驱动程序，然后挂载真正的根文件系统，最后在执行真正的根文件系统上的initrd,这样就这个启动过程就顺利的交接了。 块设备的initrd不仅使用不方便，而且在内核中的处理过程也更加复杂，因此cpio的initrd肯定会取代它，推荐使用cpio格式的initrd. initrd实例分析 如果您使用的是ubuntu,您可以执行以下的命令来看看它的initrd中的内容。 # mkdir /tmp/initrd # cp /boot/initrd.img-xxx /tmp/initrd/initrd.img.gz # cd /tmp/initrd # gunzip initrd.img.gz # cat initrd.img | cpio -ivmd 现在，可以来看看这个根目录的init脚本到底做了什么。 # cat init #!/bin/sh # ubuntu用户一定很熟悉这个消息。 echo "Loading, please wait…" …… exec run-init ${rootmnt} ${init} "$@" <${rootmnt}/dev/console >${rootmnt}/dev/console 2>&1 这个init脚本最后执行initrd中的run-init切换到真正的根文件系统中。 您可以对这个脚本进行修改，加入相关的打印信息，然后使用本文开头介绍的方法，重新制作一个cpio的initrd,然后使用这个initrd启动内核，快看看试验效果吧。 |
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