kernel initrd & ramfs

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

see:  Docummentation/ramdisk.txt

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，initramfs见第二部分。

 
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);                ......}
第二部分

创建一个cpio格式的 ramfs， 

# 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)
 
cpio ramfs 在启动中的处理过程：
 
cpio ramfs采用rootfs作为其载体， rootfs也是一种基于内存的文件系统格式。
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。 

cpio ramfs 省去了复杂的image解压和装载过程所以可以提高内核的启动速度。 Android采用cpio ramfs为根文件系统，

 节省了进入用户空间的时间。

"arch/arm/kernel/vmlinux.lds" 358 lines
264   __security_initcall_end = .;
265   . = ALIGN(32);
266   __initramfs_start = .;
267    usr/built-in.o(.init.ramfs)
268   __initramfs_end = .;
269   . = ALIGN(4096);

"usr/initramfs_data.S"
 10   ld -m elf_i386  --format binary --oformat elf32-i386 -r /
 11   -T initramfs_data.scr initramfs_data.cpio.gz -o initramfs_data.o
 12    ld -m elf_i386  -r -o built-in.o initramfs_data.o
 13 
 14   initramfs_data.scr looks like this:
 15 SECTIONS
 16 {
 17        .init.ramfs : { *(.data) }
 18 }
 28 .section .init.ramfs,"a"
 29 .incbin "usr/initramfs_data.cpio.gz"
 
"init/initramfs.c" 584 lines 
541 static int __init populate_rootfs(void)
542 {
543   char *err = NULL;
544 
545   printk(KERN_EMERG"************************/n"); //gwj
546       err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start,
547        __initramfs_end - __initramfs_start, 0);
584 rootfs_initcall(populate_rootfs);

the  file  initramfs.c  only express the cpio ramfs and copy all files to rootfs filesystem, these actions implemented in kernel setting.