Linux? 初始 RAM 磁盤（initrd）是在系統(tǒng)引導(dǎo)過程中掛載的一個臨時根文件系統(tǒng)，用來支持兩階段的引導(dǎo)過程。initrd 文件中包含了各種可執(zhí)行程序和驅(qū)動程序，它們可以用來掛載實(shí)際的根文件系統(tǒng)，然后再將這個 initrd RAM 磁盤卸載，并釋放內(nèi)存。在很多嵌入式 Linux 系統(tǒng)中，initrd 就是最終的根文件系統(tǒng)。本文將探索 Linux 2.6 的初始 RAM 磁盤，包括如何創(chuàng)建以及如何在 Linux 內(nèi)核中使用。

什么是初始 RAM 磁盤？

初始 RAM 磁盤（initrd）是在實(shí)際根文件系統(tǒng)可用之前掛載到系統(tǒng)中的一個初始根文件系統(tǒng)。initrd 與內(nèi)核綁定在一起，并作為內(nèi)核引導(dǎo)過程的一部分進(jìn)行加載。內(nèi)核然后會將這個 initrd 文件作為其兩階段引導(dǎo)過程的一部分來加載模塊，這樣才能稍后使用真正的文件系統(tǒng)，并掛載實(shí)際的根文件系統(tǒng)。

initrd 中包含了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)所需要的目錄和可執(zhí)行程序的最小集合，例如將內(nèi)核模塊加載到內(nèi)核中所使用的 insmod 工具。

在桌面或服務(wù)器 Linux 系統(tǒng)中，initrd 是一個臨時的文件系統(tǒng)。其生存周期很短，只會用作到真實(shí)文件系統(tǒng)的一個橋梁。在沒有存儲設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)中，initrd 是永久的根文件系統(tǒng)。本文將對這兩種情況進(jìn)行探索。

initrd剖析

initrd 映像中包含了支持 Linux 系統(tǒng)兩階段引導(dǎo)過程所需要的必要可執(zhí)行程序和系統(tǒng)文件。

根據(jù)我們運(yùn)行的 Linux 的版本不同，創(chuàng)建初始 RAM 磁盤的方法也可能會有所不同。在 Fedora Core 3 之前，initrd 是使用 loop 設(shè)備 來構(gòu)建的。loop 設(shè)備 是一個設(shè)備驅(qū)動程序，利用它可以將文件作為一個塊設(shè)備掛載到系統(tǒng)中，然后就可以查看這個文件系統(tǒng)中的內(nèi)容了。在您的內(nèi)核中可能并沒有 loop 設(shè)備，不過這可以通過內(nèi)核配置工具（make menuconfig）選擇 Device Drivers > Block Devices > Loopback Device Support 來啟用。我們可以按照下面的方法來查看 loop 設(shè)備的內(nèi)容（initrd 文件的名字可能會稍有不同）：

清單 1. 查看 initrd 的內(nèi)容（適用于 FC3 之前的版本）

# mkdir temp ; cd temp

# cp /boot/initrd.img.gz .

# gunzip initrd.img.gz

# mount -t ext -o loop initrd.img /mnt/initrd

# ls -la /mnt/initrd

現(xiàn)在我們就可以查看 /mnt/initrd 子目錄中的內(nèi)容了，這就代表了 initrd 文件的內(nèi)容。注意，即使您的 initrd 映像文件不是以 .gz 結(jié)尾，它也可能是一個壓縮文件，您可以給這個文件添加上 .gz 后綴，然后再使用 gunzip 對其進(jìn)行解壓。

從 Fedora Core 3 開始，默認(rèn)的 initrd 映像變成了一個經(jīng)過壓縮的 cpio 歸檔文件。我們不用再使用 loop 設(shè)備來將 initrd 作為壓縮映像進(jìn)行掛載，而是可以將其作為 cpio 歸檔文件來使用。要查看 cpio 歸檔文件的內(nèi)容，可以使用下面的命令：

清單 2. 查看 initrd 的內(nèi)容（適用于 FC3 及其以后的版本）

# mkdir temp ; cd temp

# cp /boot/initrd-2.6.14.2.img initrd-2.6.14.2.img.gz

# gunzip initrd-2.6.14.2.img.gz

# cpio -i --make-directories < initrd-2.6.14.2.img

#

結(jié)果會生成一個很小的根文件系統(tǒng)，如清單 3 所示。在 ./bin 目錄中有一組很少但卻非常必要的應(yīng)用程序，包括 nash（即 not a shell，是一個腳本解釋器）、insmod（用來加載內(nèi)核模塊）和 lvm（邏輯卷管理工具）。

清單 3. 默認(rèn)的 Linux initrd 目錄結(jié)構(gòu)

# ls -la

#

drwxr-xr-x? 10 root root??? 4096 May 7 02:48 .

drwxr-x---? 15 root root??? 4096 May 7 00:54 ..

drwxr-xr-x? 2? root root??? 4096 May 7 02:48 bin

drwxr-xr-x? 2? root root??? 4096 May 7 02:48 dev

drwxr-xr-x? 4? root root??? 4096 May 7 02:48 etc

-rwxr-xr-x? 1? root root???? 812 May 7 02:48 init

-rw-r--r--? 1? root root 1723392 May 7 02:45 initrd-2.6.14.2.img

drwxr-xr-x? 2? root root??? 4096 May 7 02:48 lib

drwxr-xr-x? 2? root root??? 4096 May 7 02:48 loopfs

drwxr-xr-x? 2? root root??? 4096 May 7 02:48 proc

lrwxrwxrwx? 1? root root?????? 3 May 7 02:48 sbin -> bin

drwxr-xr-x? 2? root root??? 4096 May 7 02:48 sys

drwxr-xr-x? 2? root root??? 4096 May 7 02:48 sysroot

#

清單 3 中比較有趣的是 init 文件就在根目錄中。與傳統(tǒng)的 Linux 引導(dǎo)過程類似，這個文件也是在將 initrd 映像解壓到 RAM 磁盤中時被調(diào)用的。在本文稍后我們將來探索這個問題。

創(chuàng)建 initrd 所使用的工具

cpio 命令

使用 cpio 命令，我們可以對 cpio 文件進(jìn)行操作。cpio 是一種文件格式，它簡單地使用文件頭將一組文件串接在一起。cpio 文件格式可以使用 ASCII 和二進(jìn)制文件。為了保證可移植性，我們可以使用 ASCII 格式。為了減小文件大小，我們可以使用二進(jìn)制的版本。

下面讓我們回到最開始，來看一下 initrd 映像最初是如何構(gòu)建的。對于傳統(tǒng)的 Linux 系統(tǒng)來說，initrd 映像是在 Linux 構(gòu)建過程中創(chuàng)建的。有很多工具，例如 mkinitrd，都可以用來使用必要的庫和模塊自動構(gòu)建 initrd，從而用作與真實(shí)的根文件系統(tǒng)之間的橋梁。mkinitrd 工具實(shí)際上就是一個 shell 腳本，因此我們可以看到它究竟是如何來實(shí)現(xiàn)這個結(jié)果的。還有一個 YAIRD（即 Yet Another Mkinitrd）工具，可以對 initrd 構(gòu)建過程的各個方面進(jìn)行定制。

手工構(gòu)建定制的初始 RAM 磁盤

由于在很多基于 Linux 的嵌入式系統(tǒng)上沒有硬盤，因此 initrd 也會作為這種系統(tǒng)上的永久根文件系統(tǒng)使用。清單 4 顯示了如何創(chuàng)建一個 initrd 映像文件。我使用了一個標(biāo)準(zhǔn)的 Linux 桌面，這樣您即使沒有嵌入式平臺，也可以按照下面的步驟來執(zhí)行了。除了交叉編譯，其他概念（也適用于 initrd 的構(gòu)建）對于嵌入式平臺都是相同的。

清單 4. 創(chuàng)建定制 initrd 的工具（mkird）

#!/bin/bash

# Housekeeping...

rm -f /tmp/ramdisk.img

rm -f /tmp/ramdisk.img.gz

# Ramdisk Constants

RDSIZE=4000

BLKSIZE=1024

# Create an empty ramdisk image

dd if=/dev/zero of=/tmp/ramdisk.img bs=$BLKSIZE count=$RDSIZE

# Make it an ext2 mountable file system

/sbin/mke2fs -F -m 0 -b $BLKSIZE /tmp/ramdisk.img $RDSIZE

# Mount it so that we can populate

mount /tmp/ramdisk.img /mnt/initrd -t ext2 -o loop=/dev/loop0

# Populate the filesystem (subdirectories)

mkdir /mnt/initrd/bin

mkdir /mnt/initrd/sys

mkdir /mnt/initrd/dev

mkdir /mnt/initrd/proc

# Grab busybox and create the symbolic links

pushd /mnt/initrd/bin

cp /usr/local/src/busybox-1.1.1/busybox .

ln -s busybox ash

ln -s busybox mount

ln -s busybox echo

ln -s busybox ls

ln -s busybox cat

ln -s busybox ps

ln -s busybox dmesg

ln -s busybox sysctl

popd

# Grab the necessary dev files

cp -a /dev/console /mnt/initrd/dev

cp -a /dev/ramdisk /mnt/initrd/dev

cp -a /dev/ram0 /mnt/initrd/dev

cp -a /dev/null /mnt/initrd/dev

cp -a /dev/tty1 /mnt/initrd/dev

cp -a /dev/tty2 /mnt/initrd/dev

# Equate sbin with bin

pushd /mnt/initrd

ln -s bin sbin

popd

# Create the init file

cat >> /mnt/initrd/linuxrc << EOF

#!/bin/ash

echo

echo "Simple initrd is active"

echo

mount -t proc /proc /proc

mount -t sysfs none /sys

/bin/ash --login

EOF

chmod +x /mnt/initrd/linuxrc

# Finish up...

umount /mnt/initrd

gzip -9 /tmp/ramdisk.img

cp /tmp/ramdisk.img.gz /boot/ramdisk.img.gz

initrd Linux 發(fā)行版

Minimax 是一個開放源碼項(xiàng)目，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是成為一個全部封裝在 initrd 中的 Linux 發(fā)行版。它的大小是 32MB，為了盡量小，它使用了 BusyBox 和 uClibc。除了非常小之外，它還使用了 2.6 版本的 Linux 內(nèi)核，并提供了很多有用的工具。

ext2 文件系統(tǒng)的替代品

盡管 ext2 是一種通用的 Linux 文件系統(tǒng)格式，但是還有一些替代品可以減小 initrd 映像文件以及所掛載上來的文件系統(tǒng)的大小。這種文件系統(tǒng)的例子有 romfs（ROM 文件系統(tǒng)）、cramfs（壓縮 ROM 文件系統(tǒng)）和 squashfs（高度壓縮只讀文件系統(tǒng)）。如果我們需要暫時將數(shù)據(jù)寫入文件系統(tǒng)中，ext2 可以很好地實(shí)現(xiàn)這種功能。最后，e2compr 是 ext2 文件系統(tǒng)驅(qū)動程序的一個擴(kuò)展，可以支持在線壓縮。

為了創(chuàng)建 initrd，我們最開始創(chuàng)建了一個空文件，這使用了 /dev/zero（一個由零組成的碼流）作為輸入，并將其寫入到 ramdisk.img 文件中。所生成的文件大小是 4MB（4000 個 1K 大小的塊）。然后使用 mke2fs 命令在這個空文件上創(chuàng)建了一個 ext2（即 second extended）文件系統(tǒng)。現(xiàn)在這個文件變成了一個 ext2 格式的文件系統(tǒng)，我們使用 loop 設(shè)備將這個文件掛載到 /mnt/initrd 上了。在這個掛載點(diǎn)上，我們現(xiàn)在就有了一個目錄，它以 ext2 文件系統(tǒng)的形式呈現(xiàn)出來，我們可以對自己的 initrd 文件進(jìn)行拼裝了。接下來的腳本提供了這種功能。

下一個步驟是創(chuàng)建構(gòu)成根文件系統(tǒng)所需要的子目錄：/bin、/sys、/dev 和 /proc。這里只列出了所需要的目錄（例如沒有庫），但是其中包含了很多功能。

為了可以使用根文件系統(tǒng)，我們使用了 BusyBox。這個工具是一個單一映像，其中包含了很多在 Linux 系統(tǒng)上通常可以找到的工具（例如 ash、awk、sed、insmod 等）。BusyBox 的優(yōu)點(diǎn)是它將很多工具打包成一個文件，同時還可以共享它們的通用元素，這樣可以極大地減少映像文件的大小。這對于嵌入式系統(tǒng)來說非常理想。將 BusyBox 映像從自己的源目錄中拷貝到自己根目錄下的 /bin 目錄中。然后創(chuàng)建了很多符號鏈接，它們都指向 BusyBox 工具。BusyBox 會判斷所調(diào)用的是哪個工具，并執(zhí)行這個工具的功能。我們在這個目錄中創(chuàng)建了幾個鏈接來支持 init 腳本（每個命令都是一個指向 BusyBox 的鏈接。）

下一個步驟是創(chuàng)建幾個特殊的設(shè)備文件。我從自己當(dāng)前的 /dev 子目錄中直接拷貝了這些文件，這使用了 -a 選項(xiàng)（歸檔）來保留它們的屬性。

倒數(shù)第二個步驟是生成 linuxrc 文件。在內(nèi)核掛載 RAM 磁盤之后，它會查找 init 文件來執(zhí)行。如果沒有找到 init 文件，內(nèi)核就會調(diào)用 linuxrc 文件作為自己的啟動腳本。我們在這個文件中實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的基本設(shè)置，例如掛載 /proc 文件系統(tǒng)。除了 /proc 之外，我還掛載了 /sys 文件系統(tǒng)，并向終端打印一條消息。最后，我們調(diào)用了 ash（一個 Bourne Shell 的克隆），這樣就可以與根文件系統(tǒng)進(jìn)行交互了。linuxrc 文件然后使用 chmod 命令修改成可執(zhí)行的。

最后，我們的根文件系統(tǒng)就完成了。我們將其卸載掉，然后使用 gzip 對其進(jìn)行壓縮。所生成的文件（ramdisk.img.gz）被拷貝到 /boot 子目錄中，這樣就可以通過 GNU GRUB 對其進(jìn)行加載了。

要構(gòu)建初始 RAM 磁盤，我們可以簡單地調(diào)用 mkird，這樣就會自動創(chuàng)建這個映像文件，并將其拷貝到 /boot 目錄中。

測試定制的初始 RAM 磁盤

Linux 內(nèi)核中對 initrd 的支持

對于 Linux 內(nèi)核來說，要支持初始 RAM 磁盤，內(nèi)核必須要使用 CONFIG_BLK_DEV_RAM 和 CONFIG_BLK_DEV_INITRD 選項(xiàng)進(jìn)行編譯。

新的 initrd 映像現(xiàn)在已經(jīng)在 /boot 目錄中了，因此下一個步驟是使用默認(rèn)的內(nèi)核來對其進(jìn)行測試。現(xiàn)在我們可以重新啟動 Linux 系統(tǒng)了。在出現(xiàn) GRUB 界面時，按 C 鍵啟動 GRUB 中的命令行工具。我們現(xiàn)在可以與 GRUB 進(jìn)行交互，從而定義要加載哪個內(nèi)核和 initrd 映像文件。kernel 命令讓我們可以指定內(nèi)核文件，initrd 命令可以用來指定 initrd 映像文件。在定義好這些參數(shù)之后，就可以使用 boot 命令來引導(dǎo)內(nèi)核了，如清單 5 所示。

清單 5. 使用 GRUB 手工引導(dǎo)內(nèi)核和 initrd

GNU GRUB? version 0.95? (638K lower / 97216K upper memory)

[ Minimal BASH-like line editing is supported. For the first word, TAB

lists possible command completions. Anywhere else TAB lists the possible

completions of a device/filename. ESC at any time exits.]

grub> kernel /bzImage-2.6.1

[Linux-bzImage, setup=0x1400, size=0x29672e]

grub> initrd /ramdisk.img.gz

[Linux-initrd @ 0x5f2a000, 0xb5108 bytes]

grub> boot

Uncompressing Linux... OK, booting the kernel.

在內(nèi)核啟動之后，它會檢查是否有 initrd 映像文件可用（稍后會更詳細(xì)介紹），然后將其加載，并將其掛載成根文件系統(tǒng)。在清單 6 中我們可以看到這個 Linux 啟動過程最后的樣子。在啟動之后，ash shell 就可以用來輸入命令了。在這個例子中，我們將瀏覽一下根文件系統(tǒng)的內(nèi)容，并查看一下虛擬 proc 文件系統(tǒng)中的內(nèi)容。我們還展示了如何通過 touch 命令在文件系統(tǒng)中創(chuàng)建文件。注意所創(chuàng)建的第一個進(jìn)程是 linuxrc（通常都是 init）。

清單 6. 使用簡單的 initrd 引導(dǎo) Linux 內(nèi)核

...

md: Autodetecting RAID arrays

md: autorun

md: ... autorun DONE.

RAMDISK: Compressed image found at block 0

VFS: Mounted root (ext2 file system).

Freeing unused kernel memory: 208k freed

/ $ ls

bin???????? etc?????? linuxrc?????? proc??????? sys

dev???????? lib?????? lost+found??? sbin

/ $ cat /proc/1/cmdline

/bin/ash/linuxrc

/ $ cd bin

/bin $ ls

ash????? cat????? echo???? mount??? sysctl

busybox? dmesg??? ls???? ??ps

/bin $ touch zfile

/bin $ ls

ash????? cat????? echo???? mount??? sysctl

busybox? dmesg??? ls?????? ps?????? zfile

使用初始 RAM 磁盤來引導(dǎo)系統(tǒng)

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了如何構(gòu)建并使用定制的初始 RAM 磁盤，本節(jié)將探索內(nèi)核是如何識別 initrd 并將其作為根文件系統(tǒng)進(jìn)行掛載的。我們將介紹啟動鏈中的幾個主要函數(shù)，并解釋一下到底在進(jìn)行什么操作。

引導(dǎo)加載程序，例如 GRUB，定義了要加載的內(nèi)核，并將這個內(nèi)核映像以及相關(guān)的 initrd 拷貝到內(nèi)存中。我們可以在 Linux 內(nèi)核源代碼目錄中的 ./init 子目錄中找到很多這種功能。

在內(nèi)核和 initrd 映像被解壓并拷貝到內(nèi)存中之后，內(nèi)核就會被調(diào)用了。它會執(zhí)行不同的初始化操作，最終您會發(fā)現(xiàn)自己到了 init/main.c:init()（subdir/file:function）函數(shù)中。這個函數(shù)執(zhí)行了大量的子系統(tǒng)初始化操作。此處會執(zhí)行一個對 init/do_mounts.c:prepare_namespace() 的調(diào)用，這個函數(shù)用來準(zhǔn)備名稱空間（掛載 dev 文件系統(tǒng)、RAID 或 md、設(shè)備以及最后的 initrd）。加載 initrd 是通過調(diào)用 init/do_mounts_initrd.c:initrd_load() 實(shí)現(xiàn)的。

initrd_load() 函數(shù)調(diào)用了 init/do_mounts_rd.c:rd_load_image()，它通過調(diào)用 init/do_mounts_rd.c:identify_ramdisk_image() 來確定要加載哪個 RAM 磁盤。這個函數(shù)會檢查映像文件的 magic 號來確定它是 minux、etc2、romfs、cramfs 或 gzip 格式。在返回到 initrd_load_image 之前，它還會調(diào)用 init/do_mounts_rd:crd_load()。這個函數(shù)負(fù)責(zé)為 RAM 磁盤分配空間，并計(jì)算循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC），然后對 RAM 磁盤映像進(jìn)行解壓，并將其加載到內(nèi)存中。現(xiàn)在，我們在一個適合掛載的塊設(shè)備中就有了這個 initrd 映像。

現(xiàn)在使用一個 init/do_mounts.c:mount_root() 調(diào)用將這個塊設(shè)備掛載到根文件系統(tǒng)上。它會創(chuàng)建根設(shè)備，并調(diào)用 init/do_mounts.c:mount_block_root()。在這里調(diào)用 init/do_mounts.c:do_mount_root()，后者又會調(diào)用 fs/namespace.c:sys_mount() 來真正掛載根文件系統(tǒng)，然后 chdir 到這個文件系統(tǒng)中。這就是我們在清單 6 中所看到的熟悉消息 VFS: Mounted root (ext2 file system). 的地方。

最后，返回到 init 函數(shù)中，并調(diào)用 init/main.c:run_init_process。這會導(dǎo)致調(diào)用 execve 來啟動 init 進(jìn)程（在本例中是 /linuxrc）。linuxrc 可以是一個可執(zhí)行程序，也可以是一個腳本（條件是它有腳本解釋器可用）。

這些函數(shù)的調(diào)用層次結(jié)構(gòu)如清單 7 所示。盡管此處并沒有列出拷貝和掛載初始 RAM 磁盤所涉及的所有函數(shù)，但是這足以為我們提供一個整體流程的粗略框架。

清單 7. initrd 加載和掛載過程中所使用的主要函數(shù)的層次結(jié)構(gòu)

init/main.c:init

init/do_mounts.c:prepare_namespace

init/do_mounts_initrd.c:initrd_load

init/do_mounts_rd.c:rd_load_image

init/do_mounts_rd.c:identify_ramdisk_image

init/do_mounts_rd.c:crd_load

lib/inflate.c:gunzip

init/do_mounts.c:mount_root

init/do_mounts.c:mount_block_root

init/do_mounts.c:do_mount_root

fs/namespace.c:sys_mount

init/main.c:run_init_process

execve

無盤引導(dǎo)

與嵌入式引導(dǎo)的情況類似，本地磁盤（軟盤或 CD-ROM）對于引導(dǎo)內(nèi)核和 ramdisk 根文件系統(tǒng)來說都不是必需的。DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）可以用來確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，例如 IP 地址和子網(wǎng)掩碼。TFTP（Trivial File Transfer Protocol）可以用來將內(nèi)核映像和初始 ramdisk 映像傳輸?shù)奖镜卦O(shè)備上。傳輸完成之后，就可以引導(dǎo) Linux 內(nèi)核并掛載 initrd 了，這與本地映像引導(dǎo)的過程類似。

壓縮 initrd

在構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)時，我們可能希望將 initrd 映像文件做得盡可能小，這其中有一些技巧需要考慮。首先是使用 BusyBox（本文中已經(jīng)展示過了）。BusyBox 可以將數(shù) MB 的工具壓縮成幾百 KB。

在這個例子中，BusyBox 映像是靜態(tài)鏈接的，因此它不需要其他庫。然而，如果我們需要標(biāo)準(zhǔn)的 C 庫（我們自己定制的二進(jìn)制可能需要這個庫），除了巨大的 glibc 之外，我們還有其他選擇。第一個較小的庫是 uClibc，這是為對空間要求非常嚴(yán)格的系統(tǒng)準(zhǔn)備的一個標(biāo)準(zhǔn) C 庫。另外一個適合空間緊張的環(huán)境的庫是 dietlib。要記住我們需要使用這些庫來重新編譯想在嵌入式系統(tǒng)中重新編譯的二進(jìn)制文件，因此這需要額外再做一些工作（但是這是非常值得的）。

結(jié)束語

初始 RAM 磁盤最初是設(shè)計(jì)用來通過一個臨時根文件系統(tǒng)來作為內(nèi)核到最終的根文件系統(tǒng)之間的橋梁。initrd 對于在嵌入式系統(tǒng)中加載到 RAM 磁盤里的非持久性根文件系統(tǒng)來說也非常有用。

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