rootfs——InitRamdisk & InitRamfs 介绍和使用

一、rootfs

    rootfs，Root FileSystem，是指根文件系统，对应/目录节点。

    rootfs又分为虚拟rootfs和真实rootfs。

    虚拟rootfs由内核自己创建和加载，仅仅存在于内存之中（后续的InitRamfs也是在这种基础上实现），其文件系统是tmpfs类型或者ramfs类型。

    真实rootfs则是指根文件系统存在于存储设备上，内核在启动过程中会在虚拟rootfs上挂载这个存储设备，然后将/目录节点切换到这个存储设备上，这样存储设备上的文件系统就会被作为根文件系统使用（后续InitRamdisk是在这种基础上实现），其文件系统类型更加丰富，可以是ext2、yaffs、yaffs2等等类型，由具体的存储设备的类型决定。

二、InitRamdisk & InitRamfs

    InitRamdisk和InitRamfs技术都是使用ram的区域来作为根文件系统。

    1、差异如下：

       （1）实现原理上的差异

            InitRamdisk，初始化内存盘INITRD(INITial Ram Disk)技术，利用ramdisk的技术，将系统一部分内存区域实现为/dev/ram，把/dev/ram作为作为一个存储设备，最终将根目录切换到/dev/ram的挂载，实现将/dev/ram作为根文件系统的目的。从原理上属于真是rootfs。

            InitRamfs，将一个包含有根文件系统的文件、目录、节点的cpio压缩的描述包直接释放到虚拟rootfs的内存区域中，后续都是由rootfs来作为系统的根文件系统使用，无需块设备参与。

        （2）文件系统上的差异

            InitRamdisk，使用ext2格式的文件系统。

            InitRamfs，使用kernel内核直接支持的ROOTFS格式的文件系统。

        （3）数据传输流上的差异

            InitRamdisk，需要经过ext2文件系统和/dev/ram设备

                

            InitRamfs，直接通过ROOTFS文件系统进行

                

       （3）初始化进程init的区别

            InitRamdisk，使用根文件系统下的/linuxrc来作为init进程

            InitRamfs，使用根文件系统下的/init来作为init进程

       （4）内核支持版本上的差异

            InitRamdisk，由kernel 2.4版本上开始支持

            InitRamfs，由kernel 2.6版本上开始支持

        （5）镜像的差异和制作方式上的差异会在后面说明    

    2、优缺点

        （1）InitRamfs的优势

            InitRamfs省去了创建/dev/ram、挂接文件系统和切换根目录的操作，启动过程更会简单和快速。

           同时，InitRamfs比InitRamdisk更简单快速，而Kernel对InitRamfs的内部处理也更为简单。

        （2）InitRamfs的缺点

            InitRamfs使用的是cpio包，包含了文件、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。这样使得cpio包比相应的image文件大很多。

        

三、名词、类型说明

    因为网上对于initrd有很多种名词，因为在这里做解释和统一说明。

    前面已经说过了InitRamdisk和InitRamfs，同时InitRamfs又分为独立式InitRamfs和集成式InitRamfs。

    1、InitRamdisk

        老式块设备的initrd，对应init ramdisk的镜像，格式ext2。

        网上的名词：image-initrd，也可能直接用initrd来表示InitRamdisk，具体需要根据文章自己进行判断。

    2、独立式InitRamfs

        是指将InitRamfs的压缩包与kernel Image独立开来，对应initramfs压缩包，是一个cpio格式压缩的独立文件。

        网上的名词：cpio-initrd（本质上是属于InitRamfs类型）

    3、集成式InitRamfs

        是指将InitRamfs的cpio压缩包集成到kernel Image中，该cpio格式压缩的文件会被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。

        网上的名词：initramfs（本质上确实是属于InitRamfs类型，但是是其中的一种类型）

四、InitRamdisk & InitRamfs的制作

    1、InitRamdisk

    （1）通用命令如下：

genext2fs -b 4096 -d rootfs ramdisk
gzip -9 -f ramdisk
mkimage -n "My Rootfs" -A arm -O linux -T ramdisk -C gzip -d ramdisk.gz ramdisk.img

        <1> genext2fs用于将目录生成ext2格式的ramdisk。

           -b是指制作的ramdisk大小为4096K字节。-d是指要制作成ramdisk的根文件系统目录。

            ramdisk则是指要生成ramdisk的名称

        <2> gzip将该ramdisk以最优方式压缩为ramdisk.gz

        <3> 第三个步骤由uboot使用，mkimage命令将压缩了的ramdisk根文件系统二进制文件ramdisk.gz转换成u-boot能够辨认的二进制文件ramdisk.img，并指定ramdisk.img的名字为“My Rootfs”，处理器体系架构为arm，操作系统类型为linux，程序类型为ramdisk，程序由gzip压缩，不需要指定ramdisk的链接起始地址和入口地址。使用FIT方式可以跳过这步。

        

    （2）在X Project项目中的制作方法如下（需要切换到tiny210分支上）

        在config.mk中修改如下：

##
## Defining rootfs image type that want be generate.
##
ROOTFS_IMAGE_TYPE=ramdisk
#ROOTFS_IMAGE_TYPE=initramfs

        在rootfs已经生成之后（busybox安装完毕），执行

make rootfs

       最终生成的ramdisk.gz，ramdisk.img就是InitRamdisk需要使用的镜像。

        ramdisk.gz在FIT模式下使用，ramdisk.img在传统uImage下使用。

 

       对应的生成脚本在build/script/mkrootfs.sh中

## Generate ramdisk image for rootfs.
if [ "$ROOTFS_IMAGE_TYPE" = "$TYPE_INITRAMDISK" ]; then
        genext2fs -b 4096 -d ${ROOTFS_DIR} ${ROOTFS_OUT_DIR}/${TYPE_INITRAMDISK}
        gzip -9 -f ${ROOTFS_OUT_DIR}/${TYPE_INITRAMDISK}
        ${UBOOT_OUT_DIR}/tools/mkimage -n ${BOARD_NAME} -A ${BOARD_ARCH} -O linux -T ramdisk -C gzip -d ${ROOTFS_OUT_DIR}/${TYPE_INITRAMDISK}.gz ${ROOTFS_OUT_DIR}/${TYPE_INITRAMDISK}.img
fi

    2、独立式InitRamfs

        （1）通用命令如下：

            进入到rootfs对应目录下，执行

find . | cpio -H newc -o > ../rootfs.cpio
gzip ../rootfs.cpio

            <1> 通过find命令获取当前目录下的所有文件，然后通过cpio -H newc -o 添加压缩到rootfs.cpio中

            <2> 通过gzip将rootfs.cpio进行压缩

            生成的rootfs.cpio.gz就是InitRamfs使用的镜像。

        （2）在X Project项目中的制作方法如下（需要切换到tiny210分支上）

            在config.mk中修改如下

##
## Defining rootfs image type that want be generate.
##
#ROOTFS_IMAGE_TYPE=ramdisk
ROOTFS_IMAGE_TYPE=initramfs

        在rootfs已经生成之后（busybox安装完毕），执行

make rootfs

       最终生成的initramfs.gz，就是InitRamfs需要使用的镜像，在FIT模式下使用。

        对应的生成脚本在build/script/mkrootfs.sh中

## Generate cpio initramfs image for rootfs.
if [ "$ROOTFS_IMAGE_TYPE" = "$TYPE_INITRAMFS" ]; then
        cd ${ROOTFS_DIR}; find . | cpio -H newc -o > ${ROOTFS_OUT_DIR}/${TYPE_INITRAMFS}
        gzip ${ROOTFS_OUT_DIR}/${TYPE_INITRAMFS}
        ${UBOOT_OUT_DIR}/tools/mkimage -n ${BOARD_NAME} -A ${BOARD_ARCH} -O linux -T ramdisk -C gzip -d ${ROOTFS_OUT_DIR}/${TYPE_INITRAMFS}.gz ${ROOTFS_OUT_DIR}/${TYPE_INITRAMFS}.img
fi

遇到的问题：出现了crash。

        测试方法：

        因为集成式InitRamfs已经可以使用，所以可以借助集成式InitRamfs来测试我们这种方法生成的gz包有没有问题。

    （1）测试生成的gz包有没有问题

       可以将CONFIG_INITRAMFS_SOURCE=""，把生成的gz包重命名成initramfs_data.cpio.gz然后放到/usr目录下。然后重编kernel，看看能否起来，可以起来就说明gz包没有问题。

        测试结果：无法起来，说明生成的InitRamfs包有问题。   

    （2）把集成式InitRamfs生成的gz包直接拿过来用

        测试结果：拿过来之后发现可以正常启动，说明是我在生成InitRamfs的过程有问题。

    （3）通过zcat initramfs_data.cpio.gz | cpio -i -d -H newc --no-absolute-filenames命令解压出来看一下是否正确。

        测试结果：解出来发现根目录在tools中而不是rootfs中，将

               find ${ROOTFS_DIR}| cpio-H newc -o> ${ROOTFS_OUT_DIR}/${TYPE_INITRAMFS}

                            修改为如下后，解压出cpio后正常，也可以正常使用了

               cd ${ROOTFS_DIR};find.| cpio -H newc -o> ${ROOTFS_OUT_DIR}/${TYPE_INITRAMFS}

    3、集成式InitRamfs

        （1）在对应平台的config文件中添加如下：

CONFIG_INITRAMFS_SOURCE="源rootfs的路径"

               然后执行make命令生成kernel镜像即可，对应的InitRamfs的cpio包会被编译到kernel镜像里面。 

        （2）以tiny210为例，在arch/arm/configs/tiny210_defconfig中修改如下：

CONFIG_INITRAMFS_SOURCE="/home/hlos/disk3/xys/temp/project-x/tools/common/rootfs"

                执行make kernel命令之后生成zImage。

                测试结果如下：

                在build/out/linux/usr可以找到cpio包“initramfs_data.cpio.gz”

$ du initramfs_data.cpio.gz 
1096initramfs_data.cpio.gz

                通过如上命令测试出initramfs_data.cpio.gz是1096K。

                在配置CONFIG_INITRAMFS_SOURCE之前Image的大小是3056K,zImage的大小是1524K。

                在配置CONFIG_INITRAMFS_SOURCE之后Image的大小是4148K,zImage的大小是2620K。

                从zImage的差值来看刚好是initramfs_data.cpio.gz的大小。

                （Image的差值只有1092K，为什么？？？）

        （3）在X Project项目中没有直接支持这种方式，可以按照上述例子已经修改。

五、InitRamdisk & InitRamfs的使用

        以下步骤需要保证rootfs下的必须存在的目录以及可执行文件已经存在，如busybox已经安装，/dev/console已经创建等等。

    1、InitRamdisk

    （1）需要kernel中打开的宏

CONFIG_BLK_DEV_RAM=y
CONFIG_BLK_DEV_INITRD=y
CONFIG_BLK_DEV_MD=y

    （2）因为InitRamdisk是使用/dev/ram来作为真是根文件系统的方式，所以需要在cmdline中指定根文件系统root=/dev/ram，这里使用的是通过dts的bootargs来传递cmdline，所以修改如下：

bootargs = "console=ttySAC0,115200n8 root=/dev/ram rw rootwait ignore_loglevel earlyprintk";

    通过FIT方式将ramdisk的镜像和kernel Image打包到一起。uboot解析到FIT之后会将ramdisk的cpio包的地址传递给kernel的。

    

   补充：在X Project项目tiny210分支上，生成FIT镜像的命令如下

make kernel-img

            会自动根据ROOTFS_IMAGE_TYPE来选择rootfs镜像，生成对应的ITS文件，再根据ITS文件来将kernel和rootfs镜像生成对应的FIT的ITB文件。

            也就是在制作FIT镜像上，InitRamdisk和独立式InitRamfs是兼容的。具体参考脚本gen_its.sh。

       

   2、独立式InitRamfs

    （1）需要kernel中打开的宏

CONFIG_BLK_DEV_RAM
CONFIG_BLK_DEV_INITRD

    无需配置/dev/ram，通过FIT方式将生成的InitRamfs的cpio包和kernel Image打包到一起。uboot解析到FIT之后会将InitRamfs的cpio包的地址传递给kernel的（方式和InitRamdisk的方式一致）。

   补充：在X Project项目tiny210分支上，生成FIT镜像的命令如下

make kernel-img

            会自动根据ROOTFS_IMAGE_TYPE来选择rootfs镜像，生成对应的ITS文件，再根据ITS文件来将kernel和rootfs镜像生成对应的FIT的ITB文件。

            也就是在制作FIT镜像上，InitRamdisk和独立式InitRamfs是兼容的。具体参考脚本gen_its.sh。

   3、集成式InitRamfs

    （1）需要kernel中打开的宏

CONFIG_BLK_DEV_RAM
CONFIG_BLK_DEV_INITRD

       无需配置/dev/ram，kernel起来之后，会通过数据段.init.ramfs找到initramfs的位置，rootfs应该就可以正常使用了。

    

参考网站：

http://blog.csdn.net/tankai19880619/article/details/16885615（《Linux启动过程分析》之区别Initramfs与initrd）

http://blog.chinaunix.net/uid-26969690-id-3207839.html

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-k26initrd/

http://blog.csdn.net/nancygreen/article/details/5027039（rootfs挂载流程）

http://blog.csdn.net/wh_19910525/article/details/8112130（制作 ramdisk.img，使用cpio 和 gzip）

http://www.cnblogs.com/pied/archive/2013/01/29/2880718.html（initramfs实作）