Gentoo 之 Initial RAM filesystem and RAM disk

一、简介

(1) initrd

在早期的linux系统中，一般只有硬盘或者软盘被用来作为linux根文件系统的存储设备，因此也就很容易把这些设备的驱动程序集成到内核中。但是现在的嵌入式系统中可能将根文件系统保存到各种存储设备上，包括scsi、sata，u-disk等等。因此把这些设备的驱动代码全部编译到内核中显然就不是很方便。

为了解决这一矛盾，于是出现了基于ramdisk的initrd( bootloader 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。当系统启动的时候，bootloader会把initrd文件读到内存中，然后把initrd文件在内存中的起始地址和大小传递给内核。内核在启动初始化过程中会解压缩initrd文件，然后将解压后的initrd挂载为根目录，然后执行根目录中的/linuxrc脚本（cpio格式的initrd为/init,而image格式的initrd<也称老式块设备的initrd或传统的文件镜像格式的initrd>为/initrc），您就可以在这个脚本中加载realfs（真实文件系统）存放设备的驱动程序以及在/dev目录下建立必要的设备节点。这样，就可以mount真正的根目录，并切换到这个根目录中来。

(2) Initramfs

在linux2.5中出现了initramfs，它的作用和initrd类似，只是和内核编译成一个文件(该initramfs是经过gzip压缩后的cpio格式的数据文件)，该cpio格式的文件被链接进了内核中特殊的数据段.init.ramfs上，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。

二、initramfs与initrd区别

(1) Linux内核只认cpio格式的initramfs文件包(因为unpack_to_rootfs只能解析cpio格式文件)，非cpio格式的 initramfs文件包将被系统抛弃，而initrd可以是cpio包也可以是传统的镜像(image)文件，实际使用中initrd都是传统镜像文件。
(2) initramfs在编译内核的同时被编译并与内核连接成一个文件，它被链接到地址__initramfs_start处，与内核同时被 bootloader加载到ram中，而initrd是另外单独编译生成的，是一个独立的文件，它由bootloader单独加载到ram中内核空间外的地址，比如加载的地址为addr(是物理地址而非虚拟地址)，大小为8MB，那么只要在命令行加入"initrd=addr,8M"命令，系统就可以找到 initrd(当然通过适当修改Linux的目录结构，makefile文件和相关代码，以上两种情况都是可以相通的)。
(3) initramfs被解析处理后原始的cpio包(压缩或非压缩)所占的空间(&__initramfs_start - &__initramfs_end)是作为系统的一部分直接保留在系统中，不会被释放掉，而对于initrd镜像文件，如果没有在命令行中设置"keepinitd"命令，那么initrd镜像文件被处理后其原始文件所占的空间(initrd_end - initrd_start)将被释放掉。
(4) initramfs可以独立ram disk单独存在，而要支持initrd必须要先支持ram disk，即要配置CONFIG_BLK_DEV_INITRD选项 -- 支持initrd，必须先要配置CONFIG_BLK_DEV_RAM -- 支持ram disk ，因为initrd image实际就是初始化好了的ramdisk镜像文件，最后都要解析、写入到ram disk设备/dev/ram或/dev/ram0中。注: 使用initramfs，命令行参数将不需要"initrd="和"root="命令

initramfs利弊:

由于initramfs使用cpio包格式，所以很容易将一个单一的文件、目录、node编译链接到系统中去，这样很简单的系统中使用起来很方便，不需要另外挂接文件系统。
但是因为cpio包实际是文件、目录、节点的描述语言包，为了描述一个文件、目录、节点，要增加很多额外的描述文字开销，特别是对于目录和节点，本身很小额外添加的描述文字却很多，这样使得cpio包比相应的image文件大很多。

使用initramfs的内核配置(使用initramfs做根文件系统):

General setup --->
[*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
(/rootfs_dir) Initramfs source file(s) //输入根文件系统的所在目录
使用initramfs的内核启动参数不需要"initrd="和"root="参数,但是必须在initramfs中创建/init文件或者修改内核启动最后代码(init文件是软连接，指向什么? init -> bin/busybox，否则内核启动将会失败)
链接入内核的initramfs文件在linux-2.6.24/usr/initramfs_data.cpio.gz

使用initrd的内核配置(使用网口将根文件系统下载到RAM -- tftp addr ramdisk.gz):

配置initrd
General setup --->
[*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
() Initramfs source file(s) //清空根文件系统的目录配置
配置ramdisk
Device Drivers --->
Block devices --->
<*> RAM disk support
(16) Default number of RAM disks // 内核在/dev/目录下生成16个ram设备节点
(4096) Default RAM disk size (kbytes)
(1024) Default RAM disk block size (bytes)
使用 initrd的内核启动参数:initrd=addr,0x400000 root=/dev/ram rw
注:
(1) addr是根文件系统的下载地址；
(2) 0x400000是根文件系统的大小，该大小需要和内核配置的ramdisk size 4096 kbytes相一致；
(3) /dev/ram是ramdisk的设备节点，rw表示根文件系统可读、可写；
根文件系统存放在FLASH分区：
内核启动参数不需要"initrd="(也可以写成"noinitrd")；
root=/dev/mtdblock2 (/dev/mtdblock2 -- 根文件系统所烧写的FLASH分区)
内核配置不需要ram disk；也不需要配置initramfs或者initrd
[ ] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
注: boot的FLASH分区要和kernel的FLASH分区匹配(而非一致)，需要进一步解释。

处理流程
linux内核支持两种格式的文件系统镜像：传统格式的文件系统镜像image-initrd和cpio-initrd格式的镜像。
下面分别说明：

cpio-initrd的处理流程：（执行流程可以对照下面博文的代码分析：linux的initrd机制和initramfs机制之根文件挂载流程：代码分析）
1．uboot把内核以及initrd文件加载到内存的特定位置。
2．内核判断initrd的文件格式，如果是cpio格式。
3．将initrd的内容释放到rootfs中。
4．执行initrd中的/init文件，执行到这一点，内核的工作全部结束，完全交给/init文件处理。
可见对于cpio-initrd格式的镜像，它执行的是init文件

image-initrd的处理流程
1．uboot把内核以及initrd文件加载到内存的特定位置。
2．内核判断initrd的文件格式，如果不是cpio格式，将其作为image-initrd处理。
3．内核将initrd的内容保存在rootfs下的/initrd.image文件中。
4．内核将/initrd.image的内容读入/dev/ram0设备中，也就是读入了一个内存盘中。
5．接着内核以可读写的方式把/dev/ram0设备挂载为原始的根文件系统。
6．如果/dev/ram0被指定为真正的根文件系统，那么内核跳至最后一步正常启动。
7．执行initrd上的/linuxrc文件，linuxrc通常是一个脚本文件，负责加载内核访问根文件系统必须的驱动，以及加载根文件系统。
8．/linuxrc执行完毕，实际根文件系统被挂载，执行权转交给内核。
9．如果实际根文件系统存在/initrd目录，那么/dev/ram0将从/移动到/initrd。否则如果/initrd目录不存在，/dev/ram0将被卸载。
10．在实际根文件系统上进行正常启动过程，执行/sbin/init。
对于image-initrd格式的镜像，它执行的是linuxrc文件

三、两种格式镜像比较

cpio-initrd的制作方法比image-initrd简单。
cpio-initrd的内核处理流程相比image-initrd更简单，因为：
a. 根据上面的流程对比可知，cpio-initrd格式的镜像是释放到rootfs中的，不需要额外的文件系统支持，
而image-initrd格式的镜像先是被挂载成虚拟文件系统，而后被卸载，基于具体的文件系统
b. image-initrd内核在执行完/linuxrc进程后，还要返回执行内核进行一些收尾工作，
并且要负责执行真正的根文件系统的/sbin/init。

处理流程对比如下图所示：（来自网络）

由对比可以看出cpio-initrd格式的镜像更具优势，这也是它逐渐代替image-initrd格式镜像的原因

四、initrd镜像的制作

cpio-initrd格式镜像制作：
进入到要制作的文件系统的根目录；

bash# find . | cpio -c -o > ../initrd.img
bash# gzip ../initrd.img

image-initrd格式镜像制作：
进入到要制作的文件系统的根目录；

bash# dd if=/dev/zero of=../initrd.img bs=512k count=5
bash# mkfs.ext2 -F -m0 ../initrd.img
bash# mount -t ext2 -o loop ../initrd.img /mnt
bash# cp -r * /mnt
bash# umount /mnt
bash# gzip -9 ../initrd.img

对于image-initrd格式镜像的制作，往往采用制作工具，如genext2fs

五、image-initrd格式镜像实例解读
参见下一篇博文
一、initrd

ram disk中的file system叫做initrd，全名叫做initial ramdisk。
如何创建initial ramisk

host > dd if=/dev/zero of=/dev/ram0 bs=1k count=<count>
host > mke2fs -vm0 /dev/ram0 <count>
host > tune2fs -c 0 /dev/ram0
host > dd if=/dev/ram0 bs=1k count=<count> | gzip -v9 > ramdisk.gz

这段代码就创建了大小为count的ramdisk
创建完之后还要添加哪些东西

还要添加一些必要的文件让他工作，可能是库，应用程序等。例如busybox。

host $ mkdir mnt
host $ gunzip ramdisk.gz
host $ mount -o loop ramdisk mnt/
host $ ... copy stuff you want to have in ramdisk to mnt...
host $ umount mnt
host $ gzip -v9 ramdisk

内核如何支持initial ramdisk

#
# General setup
#
...
CONFIG_BLK_DEV_INITRD=y
CONFIG_INITRAMFS_SOURCE=""
...

#
# UBI - Unsorted block images
#
.../*****************initramfs 应该不需要配置下面的参数************************/
CONFIG_BLK_DEV_RAM=y
CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT=1
CONFIG_BLK_DEV_RAM_SIZE=8192
CONFIG_BLK_DEV_RAM_BLOCKSIZE=1024
...
告诉uboot怎么找到她

UBOOT # tftp 0x87000000 ramdisk.gz
UBOOT # erase 0x2200000 +0x<filesize>
UBOOT # cp.b 0x87000000 0x2200000 0x<filesize>

UBOOT # setenv bootargs ... root=/dev/ram0 rw initrd=0x87000000,8M
UBOOT # setenv bootcmd cp.b 0x2200000 0x87000000 0x<filesize>; bootm
UBOOT # saveenv

注意： ramdisk 中要有ram0节点
最后启动内核
二、initramfs

initramfs相当于把initrd放进了内核，通过cpio（这是一个文件处理工具）实现。
如何创建
比initrd简单多了

host > mkdir target_fs

host > ... copy stuff you want to have in initramfs to target_fs...

注意：

initramfs中的cpio系统不能处理hard link，用soft link

顶层必须有个init程序，这是kernel要用的，可以这么做

/init -> /bin/busybox

接着

host > cd target_fs
host > find . | cpio -H newc -o > ../target_fs.cpio

内核支持

#
# General setup
#
...
CONFIG_BLK_DEV_INITRD=y
CONFIG_INITRAMFS_SOURCE="<path_to>/target_fs>"
...

#
# UBI - Unsorted block images
#
...
CONFIG_BLK_DEV_RAM=y
CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT=1
CONFIG_BLK_DEV_RAM_SIZE=8192
CONFIG_BLK_DEV_RAM_BLOCKSIZE=1024

然后执行make uImage的时候就被包含到kernel中了。
uboot支持

因为已经在kernel中了，不需要像initrd一样通过参数 root=/xxx rw initrd=xxx来告诉uboot了
三、比较

initrd方式中kernel和initial file system为独立的部分，互不影响，下载的时候镜像也小。
创建修改initramfs比initrd容易。
在烧写的时候，显然一个镜像更容易管理。