 Linux® 初始 RAM 磁盘（initrd）是在系统引导过程中挂载的一个临时根文档系统，用来支持两阶段的引导过程。initrd 文档中包含了各种可执行程式和驱动程式，他们能够用来挂载实际的根文档系统，然后再将这个 initrd RAM 磁盘卸载，并释放内存。在很多嵌入式 Linux 系统中，initrd 就是最终的根文档系统。本文将探索 Linux 2.6 的初始 RAM 磁盘，包括怎样创建连同怎样在 Linux 内核中使用。 什么是初始 RAM 磁盘？ 初始 RAM 磁盘（initrd）是在实际根文档系统可用之前挂载到系统中的一个初始根文档系统。initrd 和内核绑定在一起，并作为内核引导过程的一部分进行加载。内核然后会将这个 initrd 文档作为其两阶段引导过程的一部分来加载模块，这样才能稍后使用真正的文档系统，并挂载实际的根文档系统。 initrd 中包含了实现这个目标所需要的目录和可执行程式的最小集合，例如将内核模块加载到内核中所使用的 insmod 工具。 在桌面或服务器 Linux 系统中，initrd 是个临时的文档系统。其生存周期很短，只会用作到真实文档系统的一个桥梁。在没有存储设备的嵌入式系统中，initrd 是永久的根文档系统。本文将对这两种情况进行探索。 initrd 剖析 initrd 映像中包含了支持 Linux 系统两阶段引导过程所需要的必要可执行程式和系统文档。 根据我们运行的 Linux 的版本不同，创建初始 RAM 磁盘的方法也可能会有所不同。在 Fedora Core 3 之前，initrd 是使用 loop 设备 来构建的。loop 设备 是个设备驱动程式，利用他能够将文档作为一个块设备挂载到系统中，然后就能够查看这个文档系统中的内容了。在您的内核中可能并没有 loop 设备，但是这能够通过内核配置工具（make menuconfig）选择 Device Drivers > Block Devices > Loopback Device Support 来启用。我们能够按照下面的方法来查看 loop 设备的内容（initrd 文档的名字可能会稍有不同）： 清单 1. 查看 initrd 的内容（适用于 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 # 现在我们就能够查看 /mnt/initrd 子目录中的内容了，这就代表了 initrd 文档的内容。注意，即使您的 initrd 映像文档不是以 .gz 结尾，他也可能是个压缩文档，您能够给这个文档添加上 .gz 后缀，然后再使用 gunzip 对其进行解压。 从 Fedora Core 3 开始，默认的 initrd 映像变成了一个经过压缩的 cpio 归档文档。我们不用再使用 loop 设备来将 initrd 作为压缩映像进行挂载，而是能够将其作为 cpio 归档文档来使用。要查看 cpio 归档文档的内容，能够使用下面的命令： 清单 2. 查看 initrd 的内容（适用于 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 2.6.14.2.img # 结果会生成一个很小的根文档系统，如清单 3 所示。在 ./bin 目录中有一组很少但却很必要的应用程式，包括 nash（即 not a shell，是个脚本解释器）、insmod（用来加载内核模块）和 lvm（逻辑卷管理工具）。 清单 3. 默认的 Linux initrd 目录结构 # 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 # 清单 3 中比较有趣的是 init 文档就在根目录中。和传统的 Linux 引导过程类似，这个文档也是在将 initrd 映像解压到 RAM 磁盘中时被调用的。在本文稍后我们将来探索这个问题。 创建 initrd 所使用的工具 cpio 命令 使用 cpio 命令，我们能够对 cpio 文档进行操作。cpio 是一种文档格式，他简单地使用文档头将一组文档串接在一起。cpio 文档格式能够使用 ASCII 和二进制文档。为了确保可移植性，我们能够使用 ASCII 格式。为了减小文档大小，我们能够使用二进制的版本。 下面让我们回到最开始，来看一下 initrd 映像最初是怎样构建的。对于传统的 Linux 系统来说，initrd 映像是在 Linux 构建过程中创建的。有很多工具，例如 mkinitrd，都能够用来使用必要的库和模块自动构建 initrd，从而用作和真实的根文档系统之间的桥梁。mkinitrd 工具实际上就是个 shell 脚本，因此我们能够看到他究竟是怎样来实现这个结果的。更有一个 YAIRD（即 Yet Another Mkinitrd）工具，能够对 initrd 构建过程的各个方面进行定制。 手工构建定制的初始 RAM 磁盘 由于在很多基于 Linux 的嵌入式系统上没有硬盘，因此 initrd 也会作为这种系统上的永久根文档系统使用。清单 4 显示了怎样创建一个 initrd 映像文档。我使用了一个标准的 Linux 桌面，这样您即使没有嵌入式平台，也能够按照下面的步骤来执行了。除了交叉编译，其他概念（也适用于 initrd 的构建）对于嵌入式平台都是相同的。 清单 4. 创建定制 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 #!/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 发行版 Minimax 是个开放源码项目，其设计目标是成为一个全部封装在 initrd 中的 Linux 发行版。他的大小是 32MB，为了尽量小，他使用了 BusyBox 和 uClibc。除了很小之外，他还使用了 2.6 版本的 Linux 内核，并提供了很多有用的工具。 为了创建 initrd，我们最开始创建了一个空文档，这使用了 /dev/zero（一个由零组成的码流）作为输入，并将其写入到 ramdisk.img 文档中。所生成的文档大小是 4MB（4000 个 1K 大小的块）。然后使用 mke2fs 命令在这个空文档上创建了一个 ext2（即 second extended）文档系统。现在这个文档变成了一个 ext2 格式的文档系统，我们使用 loop 设备将这个文档挂载到 /mnt/initrd 上了。在这个挂载点上，我们现在就有了一个目录，他以 ext2 文档系统的形式呈现出来，我们能够对自己的 initrd 文档进行拼装了。接下来的脚本提供了这种功能。 下一个步骤是创建构成根文档系统所需要的子目录：/bin、/sys、/dev 和 /proc。这里只列出了所需要的目录（例如没有库），但是其中包含了很多功能。 ext2 文档系统的替代品 尽管 ext2 是一种通用的 Linux 文档系统格式，但是更有一些替代品能够减小 initrd 映像文档连同所挂载上来的文档系统的大小。这种文档系统的例子有 romfs（ROM 文档系统）、cramfs（压缩 ROM 文档系统）和 squashfs（高度压缩只读文档系统）。假如我们需要暂时将数据写入文档系统中，ext2 能够很好地实现这种功能。最后，e2compr 是 ext2 文档系统驱动程式的一个扩展，能够支持在线压缩。 为了能够使用根文档系统，我们使用了 BusyBox。这个工具是个单一映像，其中包含了很多在 Linux 系统上通常能够找到的工具（例如 ash、awk、sed、insmod 等）。BusyBox 的长处是他将很多工具打包成一个文档，同时还能够共享他们的通用元素，这样能够极大地减少映像文档的大小。这对于嵌入式系统来说很理想。将 BusyBox 映像从自己的源目录中拷贝到自己根目录下的 /bin 目录中。然后创建了很多符号链接，他们都指向 BusyBox 工具。BusyBox 会判断所调用的是哪个工具，并执行这个工具的功能。我们在这个目录中创建了几个链接来支持 init 脚本（每个命令都是个指向 BusyBox 的链接。） 下一个步骤是创建几个特别的设备文档。我从自己当前的 /dev 子目录中直接拷贝了这些文档，这使用了 -a 选项（归档）来保留他们的属性。 倒数第二个步骤是生成 linuxrc 文档。在内核挂载 RAM 磁盘之后，他会查找 init 文档来执行。假如没有找到 init 文档，内核就会调用 linuxrc 文档作为自己的启动脚本。我们在这个文档中实现对环境的基本配置，例如挂载 /proc 文档系统。除了 /proc 之外，我还挂载了 /sys 文档系统，并向终端打印一条消息。最后，我们调用了 ash（一个 Bourne Shell 的克隆），这样就能够和根文档系统进行交互了。linuxrc 文档然后使用 chmod 命令修改成可执行的。 最后，我们的根文档系统就完成了。我们将其卸载掉，然后使用 gzip 对其进行压缩。所生成的文档（ramdisk.img.gz）被拷贝到 /boot 子目录中，这样就能够通过 GNU GRUB 对其进行加载了。 要构建初始 RAM 磁盘，我们能够简单地调用 mkird，这样就会自动创建这个映像文档，并将其拷贝到 /boot 目录中。 测试定制的初始 RAM 磁盘 Linux 内核中对 initrd 的支持 对于 Linux 内核来说，要支持初始 RAM 磁盘，内核必须要使用 CONFIG_BLK_DEV_RAM 和 CONFIG_BLK_DEV_INITRD 选项进行编译。 新的 initrd 映像现在已在 /boot 目录中了，因此下一个步骤是使用默认的内核来对其进行测试。现在我们能够重新启动 Linux 系统了。在出现 GRUB 界面时，按 C 键启动 GRUB 中的命令行工具。我们现在能够和 GRUB 进行交互，从而定义要加载哪个内核和 initrd 映像文档。kernel 命令让我们能够指定内核文档，initrd 命令能够用来指定 initrd 映像文档。在定义好这些参数之后，就能够使用 boot 命令来引导内核了，如清单 5 所示。 清单 5. 使用 GRUB 手工引导内核和 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. 在内核启动之后，他会检查是否有 initrd 映像文档可用（稍后会更周详介绍），然后将其加载，并将其挂载成根文档系统。在清单 6 中我们能够看到这个 Linux 启动过程最后的样子。在启动之后，ash shell 就能够用来输入命令了。在这个例子中，我们将浏览一下根文档系统的内容，并查看一下虚拟 proc 文档系统中的内容。我们还展示了怎样通过 touch 命令在文档系统中创建文档。注意所创建的第一个进程是 linuxrc（通常都是 init）。 清单 6. 使用简单的 initrd 引导 Linux 内核 ... 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 磁盘来引导系统 现在我们已了解了怎样构建并使用定制的初始 RAM 磁盘，本节将探索内核是怎样识别 initrd 并将其作为根文档系统进行挂载的。我们将介绍启动链中的几个主要函数，并解释一下到底在进行什么操作。 引导加载程式，例如 GRUB，定义了要加载的内核，并将这个内核映像连同相关的 initrd 拷贝到内存中。我们能够在 Linux 内核源代码目录中的 ./init 子目录中找到很多这种功能。 在内核和 initrd 映像被解压并拷贝到内存中之后，内核就会被调用了。他会执行不同的初始化操作，最终您会发现自己到了 init/main.c:init()（subdir/file:function）函数中。这个函数执行了大量的子系统初始化操作。此处会执行一个对 init/do_mounts.c:prepare_namespace() 的调用，这个函数用来准备名称空间（挂载 dev 文档系统、RAID 或 md、设备连同最后的 initrd）。加载 initrd 是通过调用 init/do_mounts_initrd.c:initrd_load() 实现的。 initrd_load() 函数调用了 init/do_mounts_rd.c:rd_load_image()，他通过调用 init/do_mounts_rd.c:identify_ramdisk_image() 来确定要加载哪个 RAM 磁盘。这个函数会检查映像文档的 magic 号来确定他是 minux、etc2、romfs、cramfs 或 gzip 格式。在返回到 initrd_load_image 之前，他还会调用 init/do_mounts_rd:crd_load()。这个函数负责为 RAM 磁盘分配空间，并计算循环冗余校验码（CRC），然后对 RAM 磁盘映像进行解压，并将其加载到内存中。现在，我们在一个适合挂载的块设备中就有了这个 initrd 映像。 现在使用一个 init/do_mounts.c:mount_root() 调用将这个块设备挂载到根文档系统上。他会创建根设备，并调用 init/do_mounts.c:mount_block_root()。在这里调用 init/do_mounts.c:do_mount_root()，后者又会调用 fs/namespace.c:sys_mount() 来真正挂载根文档系统，然后 chdir 到这个文档系统中。这就是我们在清单 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 函数中，并调用 init/main.c:run_init_process。这会导致调用 execve 来启动 init 进程（在本例中是 /linuxrc）。linuxrc 能够是个可执行程式，也能够是个脚本（条件是他有脚本解释器可用）。 这些函数的调用层次结构如清单 7 所示。尽管此处并没有列出拷贝和挂载初始 RAM 磁盘所涉及的任何函数，但是这足以为我们提供一个整体流程的粗略框架。 清单 7. initrd 加载和挂载过程中所使用的主要函数的层次结构 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 无盘引导 和嵌入式引导的情况类似，本地磁盘（软盘或 CD-ROM）对于引导内核和 ramdisk 根文档系统来说都不是必需的。DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）能够用来确定网络参数，例如 IP 地址和子网掩码。TFTP（Trivial File Transfer Protocol）能够用来将内核映像和初始 ramdisk 映像传输到本地设备上。传输完成之后，就能够引导 Linux 内核并挂载 initrd 了，这和本地映像引导的过程类似。 压缩 initrd 在构建嵌入式系统时，我们可能希望将 initrd 映像文档做得尽可能小，这其中有一些技巧需要考虑。首先是使用 BusyBox（本文中已展示过了）。BusyBox 能够将数 MB 的工具压缩成几百 KB。 在这个例子中，BusyBox 映像是静态链接的，因此他无需其他库。然而，假如我们需要标准的 C 库（我们自己定制的二进制可能需要这个库），除了巨大的 glibc 之外，我们更有其他选择。第一个较小的库是 uClibc，这是为对空间需要很严格的系统准备的一个标准 C 库。另外一个适合空间紧张的环境的库是 dietlib。要记住我们需要使用这些库来重新编译想在嵌入式系统中重新编译的二进制文档，因此这需要额外再做一些工作（但是这是很值得的）。 结束语 初始 RAM 磁盘最初是设计用来通过一个临时根文档系统来作为内核到最终的根文档系统之间的桥梁。initrd 对于在嵌入式系统中加载到 RAM 磁盘里的非持久性根文档系统来说也很有用。 原文链接： http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-initrd.html Linux 初始 RAM 磁盘（initrd）概述 日期：2006-08-22 作者：M. Tim Jones 来自：IBM DW 中国 |
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