ARM Linux启动流程-根文件系统的加载

前言

　　在Kernel启动的初始阶段，首先去创建虚拟的根文件系统(rootfs)，接下来再去调用do_mount来加载真正的文件系统，并将根文件系统切换到真正的文件系统，也即真实的文件系统。
　　接下来结核内核代码(内核版本：linux-3.14.28)，讲解整个流程。

1、文件系统的分类

　　文件系统大体可以分为基于内存的文件系统(initrd)和非基于内存的文件系统(noinitrd)，想要了解根文件系统的挂载流程，首先要了解各种文件的特性及使用方法。
　　rootfs: 一个基于内存的文件系统，是linux在初始化时加载的第一个文件系统。
　　realfs: 用户最终使用的真正的文件系统。
　　initramfs: 在内核镜像中附加一个cpio包，这个cpio包中包含了一个小型的文件系统，当内核启动时，内核将这个cpio包解开，并且将其中包含的文件系统释放到rootfs中，内核中的一部分初始化代码会放到这个文件系统中，作为用户层进程来执行。这样带来的明显的好处是精简了内核的初始化代码，而且使得内核的初始化过程更容易定制。Linux 2.6.12内核的initramfs还没有什么实质性的东西，一个包含完整功能的initramfs的实现可能还需要一个缓慢的过程。
　　cpio-initrd: cpio格式的initrd。一般作为最终的根文件系统。
　　image-initrd: 专指传统的文件镜像格式的initrd，如ext2格式。可以作为最终的根文件系统，也可以作为过渡，由Image-initrd里的init来加载最终的根文件系统。
　　noinitrd: 如jffs2，yaffs2等格式的根文件系统，作为最终的根文件系统。

2、initrd的处理流程

　　initrd有CPIO-initrd和Image-initrd两种格式，取决于制作initrd文件系统映像的工具和方法。initramfs是内核自动生成的一个简单的CPIO-initrd。
　　initramfs的处理流程:
　　1.如果内核支持initrd，但是并没有配置CONFIG_INITRAMFS_SOURCE选项的话，内核在编译的时候会自动生成一个最小的cpio包附在内核中(这个cpio包的内容与由default_rootfs生成的一样)，除非你使用了ramdisk作为文件系统，否则内核按initramfs文件系统启动。
　　2.将initramfs的内容释放到rootfs中。
　　3.挂载真实的文件系统。
　　cpio-initrd 的处理流程：
　　1.bootloader 把内核以及 initrd 文件系统分别加载到内存的特定位置。然后启动内核，并告诉内核initrd在内存的位置。
　　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。即这时候rootfs就是真正的根文件系统。
　　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。
　　image-initrd的处理流程：
　　1.bootloader 把内核以及 initrd 文件系统分别加载到内存的特定位置。然后启动内核，并告诉内核initrd在内存的位置
　　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.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。
　　7.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（即第9步）正常启动。
　　8.否则, 将真实根文件系统（如/dev/mtdblock3或nfs）挂载到rootfs下。
　　9.在常规根文件系统上进行正常启动过程 ，执行/sbin/init。
　　二者比较：
　　１、cpio-initrd的处理流程更加简单，并没有使用额外的ramdisk，而是将其内容直接输入到rootfs中，其实rootfs本身也是一个基于内存的文件系统。这样就省掉了ramdisk的挂载、卸载等步骤。cpio-initrd不再象image-initrd那样作为linux内核启动的一个中间步骤，而是作为内核启动的终点，内核将控制权交给cpio-initrd的/init文件后，内核的任务就结束了，所以在/init文件中，我们可以做更多的工作，而不比担心同内核后续处理的衔接问题。
　　２、而对于image-initrd，如果最终的真实根文件系统不在Root_RAM0（比如在/dev/mtdblock3或nfs），则内核在执行完image-initrd 里的/linuxrc进程后，还要进行一些收尾工作。并挂载最终执行真正的根文件系统和执行最终真正根文件系统里的init。如果最终的真实根文件系统在Root_RAM0，则挂载最终执行真正的根文件系统和执行最终真正根文件系统里的init。

3、整体流程解读

　3.1 根文件系统的注册

　　首先不得不从老掉牙的Linux系统的函数start_kernel()说起。函数start_kernel()中会去调用vfs_caches_init()来初始化VFS。

void __init vfs_caches_init(unsigned long mempages) {       …      //创建一个rootfs，这是个虚拟的rootfs，即内存文件系统，后面还会指向真实的文件系统       mnt_init(); }void __init mnt_init(void) {       …       //创建虚拟根文件系统（调用register_filesystem(&rootfs_fs_type)注册rootfs，即根文件系统）；        init_rootfs();        /*******************************************************************************       *挂载根文件系统（”/”其实这只是个空目录，是后面挂载实际根文件系统的根节点）。        *init_mount_tree会调用 vfs_kern_mount(“rootfs”, 0, “rootfs”, NULL)为 VFS 建立根目       *录“/”，而一旦有了根，那么这棵数就可以发展壮大。同时挂载前面已经注册了的 rootfs 文件系统到       *根目录“/”下。最后调用set_fs_pwd和set_fs_root切换进程的根目录和当前目录为”/”.这也就是根       *目录的由来        ********************************************************************************/       init_mount_tree(); } 

　　这个流程如下图所示：

　3.２ 根文件系统的初始化

　3.2.1 noinitrd初始化流程

　　针对noinitrd的情况，初始化一个简单的rootfs。主要往里面创建两个目录/dev和/root，还有一个结点/dev/console。

/* * Create a simple rootfs that is similar to the default initramfs */static int __init default_rootfs(void){    int err;    err = sys_mkdir((const char __user __force *) "/dev", 0755);    if (err < 0)        goto out;    err = sys_mknod((const char __user __force *) "/dev/console",            S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR,            new_encode_dev(MKDEV(5, 1)));    if (err < 0)        goto out;    err = sys_mkdir((const char __user __force *) "/root", 0700);    if (err < 0)        goto out;    return 0;out:    printk(KERN_WARNING "Failed to create a rootfs\n");    return err;}rootfs_initcall(default_rootfs);

　3.2.2initrd初始化流程

　　（１）当内核支持initrd时，rootfs_initcall调用initramfs.c中的populate_rootfs()函数。
　　针对initrd的情况，在kernel启动之前，uboot会把initrd映像(即真实根文件系统)拷贝到外部sram的指定位置。
　　如果是cpio-initrd，则直接填充到rootfs根目录下，这时rootfs即从vfs变成真实的根文件系统。
　　如果是Image-initrd，则Image-initrd里面的内容保存到/initrd.image里面。
　　unpack_to_rootfs顾名思义，就是解压包到rootfs文件系统中。

static int __init populate_rootfs(void){    char *err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start, __initramfs_size);    if (err)        panic("%s", err); /* Failed to decompress INTERNAL initramfs */        /**********************************        *如果内核支持initrd，但是并没有配置CONFIG_INITRAMFS_SOURCE选项的话,        *initrd_start为０。        ***********************************/    if (initrd_start) {/*************************支持ramdisk的话，必须定义宏CONFIG_BLK_DEV_RAM************************/#ifdef CONFIG_BLK_DEV_RAM        int fd;        printk(KERN_INFO "Trying to unpack rootfs image as initramfs...\n");        err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,            initrd_end - initrd_start);        if (!err) {            free_initrd();            goto done;        } else {            clean_rootfs();            unpack_to_rootfs(__initramfs_start, __initramfs_size);        }        printk(KERN_INFO "rootfs image is not initramfs (%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();        }    done:#else        printk(KERN_INFO "Unpacking initramfs...\n");        err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,            initrd_end - initrd_start);        if (err)            printk(KERN_EMERG "Initramfs unpacking failed: %s\n", err);        free_initrd();#endif        /*         * Try loading default modules from initramfs.  This gives         * us a chance to load before device_initcalls.         */        load_default_modules();    }    return 0;}rootfs_initcall(populate_rootfs);

　　（２）检测根文件系统中是否存在ramdisk_execute_command文件。
　　这个值由uboot传给内核的参数中rdinit=指定，如果未指定则采用默认的/init。如果ramdisk_execute_command文件不存在则执行prepare_namespace()挂载根文件系统。
　　如果是cpio-initrd，populate_rootfs已经成功解压cpio-initrd到rootfs中，这种情况下rootfs就是真实的根文件系统，所以这时一般会存在ramdisk_execute_command。
　　如果是Image-initrd或者noinitrd的情况，一般不会存在ramdisk_execute_command，所以执行prepare_namespace()挂载根文件系统。
　　start_kernel->rest_init->kernel_init->kernel_init_freeable

static noinline void __init kernel_init_freeable(void){    /*     * Wait until kthreadd is all set-up.     */    wait_for_completion(&kthreadd_done);    /* Now the scheduler is fully set up and can do blocking allocations */    gfp_allowed_mask = __GFP_BITS_MASK;    /*     * init can allocate pages on any node     */    set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);    /*     * init can run on any cpu.     */    set_cpus_allowed_ptr(current, cpu_all_mask);    cad_pid = task_pid(current);    smp_prepare_cpus(setup_max_cpus);    do_pre_smp_initcalls();    lockup_detector_init();    smp_init();    sched_init_smp();    do_basic_setup();    /* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */    if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)        pr_err("Warning: unable to open an initial console.\n");    (void) sys_dup(0);    (void) sys_dup(0);    /*     * check if there is an early userspace init.  If yes, let it do all     * the work     */    if (!ramdisk_execute_command)        ramdisk_execute_command = "/init";    if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {        ramdisk_execute_command = NULL;        prepare_namespace();    }    /*     * Ok, we have completed the initial bootup, and     * we're essentially up and running. Get rid of the     * initmem segments and start the user-mode stuff..     */    /* rootfs is available now, try loading default modules */    load_default_modules();}

　　（３）挂载真实的根文件系统，并把真实的根文件系统的根目录作为进程的根目录。本函数的具体流程，请看注释。

void __init prepare_namespace(void){    int is_floppy;　　/*************************　　*对于将根文件系统存在usb或者scsi的情况，　　*kernel需要等待这些耗费时间比较久的驱动　　*加载完毕，所以这里存在一个delay。　　*************************/    if (root_delay) {        printk(KERN_INFO "Waiting %d sec before mounting root device...\n",               root_delay);        ssleep(root_delay);    }    /*     * wait for the known devices to complete their probing     *     * Note: this is a potential source of long boot delays.     * For example, it is not atypical to wait 5 seconds here     * for the touchpad of a laptop to initialize.     */    /********************    *等待根文件系统所在的设备的探测函数的完成。    ********************/    wait_for_device_probe();    md_run_setup();        /******************************        *saved_root_name是uboot传进来的参数root=/dev/mtdblock3        ******************************/    if (saved_root_name[0]) {        root_device_name = saved_root_name;        if (!strncmp(root_device_name, "mtd", 3) ||            !strncmp(root_device_name, "ubi", 3)) {            mount_block_root(root_device_name, root_mountflags);            goto out;        }        /*********************        *ROOT_DEV存放saved_root_name的设备节点号。        *********************/        ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name);        if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0)            root_device_name += 5;    }        /************************************        *挂载Image-initrd，如果bootargs指定了noinitrd，        *那么initrd_load()是空操作。        *************************************/    if (initrd_load())        goto out;    /* wait for any asynchronous scanning to complete */    if ((ROOT_DEV == 0) && root_wait) {        printk(KERN_INFO "Waiting for root device %s...\n",            saved_root_name);        while (driver_probe_done() != 0 ||            (ROOT_DEV = name_to_dev_t(saved_root_name)) == 0)            msleep(100);        async_synchronize_full();    }    is_floppy = MAJOR(ROOT_DEV) == FLOPPY_MAJOR;    if (is_floppy && rd_doload && rd_load_disk(0))        ROOT_DEV = Root_RAM0;        /**********************        *把真实的根文件系统挂在到rootfs的/root目录下。        **********************/    mount_root();out:    devtmpfs_mount("dev");    /****************************************    *将真实根文件系统从当前目录移动到rootfs的根目录后，    *并进入根目录。    *然后将当前目录设置为系统的根目录，即作为当前进程的根目录。    *所以，最终把虚拟的文件系统切换到了真实的根文件系统。    ****************************************/    sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL);    sys_chroot(".");}

　　（４）initrd_load()是针对Image-initrd的函数，注意，前面已经把Image-initrd解压到了/initrd.image里面。

int __init initrd_load(void){        /***********************************        *mount_initrd的默认值为1，如果uboot传给kernel        *的参数指明noinitrd，则mount_initrd被置成0。        ***********************************/    if (mount_initrd) {        create_dev("/dev/ram", Root_RAM0);        /*         * Load the initrd data into /dev/ram0. Execute it as initrd         * unless /dev/ram0 is supposed to be our actual root device,         * in that case the ram disk is just set up here, and gets         * mounted in the normal path.         */        /*****************************************        *rd_load_image函数将/initrd.image的内容释放到/dev/ram设备节点。        *如果根文件系统设备号不是Root_RAM0，即给内核指定的参数不是/dev/ram，        *则会调用handle_initrd()。但是一般我们给内核指定的参数是/dev/ram。        ******************************************/        if (rd_load_image("/initrd.image") && ROOT_DEV != Root_RAM0) {            sys_unlink("/initrd.image");            handle_initrd();            return 1;        }    }    sys_unlink("/initrd.image");    return 0;}

　　（５）执行/linuxrc脚本确定真实的根文件系统，接着调用mount_root将真实的根文件系统挂载到rootfs的/root目录下。

static void __init handle_initrd(void){    struct subprocess_info *info;    static char *argv[] = { "linuxrc", NULL, };    extern char *envp_init[];    int error;        /**********************************        *real_root_dev为一个全局变量，用来保存真实根文件系统的设备号。        **********************************/    real_root_dev = new_encode_dev(ROOT_DEV);        /**********************************************        */dev/root.old的设备号是Root_RAM0，而前面已经把Image-initrd释放到了        *Root_RAM0，所以/dev/root.old下的内容就是真实的根文件系统Image-initrd。        **********************************************/    create_dev("/dev/root.old", Root_RAM0);    /* mount initrd on rootfs' /root */    /************************************    *将真实的根文件系统挂载到rootfs的/root目录下。    ************************************/    mount_block_root("/dev/root.old", root_mountflags & ~MS_RDONLY);    sys_mkdir("/old", 0700);    sys_chdir("/old");    /* try loading default modules from initrd */    load_default_modules();    /*     * 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;    info = call_usermodehelper_setup("/linuxrc", argv, envp_init,                     GFP_KERNEL, init_linuxrc, NULL, NULL);    if (!info)        return;    call_usermodehelper_exec(info, UMH_WAIT_PROC);    current->flags &= ~PF_FREEZER_SKIP;    /* move initrd to rootfs' /old */    sys_mount("..", ".", NULL, MS_MOVE, NULL);    /* switch root and cwd back to / of rootfs */    sys_chroot("..");    if (new_decode_dev(real_root_dev) == Root_RAM0) {        sys_chdir("/old");        return;    }    sys_chdir("/");    /*************************************    *执行完linuxrc后，真实的根文件系统已经确定，则执行    *mount_root将真实的根文件系统挂载到rootfs的/root目录下。    **************************************/    ROOT_DEV = new_decode_dev(real_root_dev);    mount_root();    printk(KERN_NOTICE "Trying to move old root to /initrd ... ");    error = sys_mount("/old", "/root/initrd", NULL, MS_MOVE, NULL);    if (!error)        printk("okay\n");    else {        int fd = sys_open("/dev/root.old", O_RDWR, 0);        if (error == -ENOENT)            printk("/initrd does not exist. Ignored.\n");        else            printk("failed\n");        printk(KERN_NOTICE "Unmounting old root\n");        sys_umount("/old", MNT_DETACH);        printk(KERN_NOTICE "Trying to free ramdisk memory ... ");        if (fd < 0) {            error = fd;        } else {            error = sys_ioctl(fd, BLKFLSBUF, 0);            sys_close(fd);        }        printk(!error ? "okay\n" : "failed\n");    }}