linux內存初始化技術(shù)（initrd）用于支持兩階段的系統引導過(guò)程，是在系統啟動(dòng)過(guò)程中被掛載的臨時(shí)root文件系統（譯者注：這里的root文件系統是指的根文件系統）。initrd包含很多可執行程序和驅動(dòng)，并允許在臨時(shí)的內存磁盤(pán)根文件系統被卸載，內存被釋放后掛載真實(shí)的root文件系統。在許多嵌入式linux文件系統中，initrd是最終的根文件系統。這篇文章主要講解了linux2.6內核的initrd技術(shù)，包括在內核中的創(chuàng )建及使用。
1 什么是內存磁盤(pán)初始化？
initrd掛載優(yōu)先級高于真實(shí)根文件系統，它被邦定在內核上，做為內核啟動(dòng)過(guò)程的一部分被加載（load）。然后，做為兩階段引導過(guò)程的第一部分，內核掛載（mount）initrd，用于獲得并加載真實(shí)有效的文件系統。
為了達到這個(gè)目的，initrd包含有最起碼的目錄與程序，例如insmod，來(lái)安裝內核模塊到內核中。
對于桌面或服務(wù)器linux，initrd是臨時(shí)文件系統，它的生存周期很短，僅僅是做為到達真實(shí)根文件系統的橋梁。但對于沒(méi)有存儲設備的嵌入式系統來(lái)說(shuō)，它才是永久性的根文件系統。本篇文章對這兩方面均有涉及。
2 深入分析initrd
initrd包含有必須的程序和系統文件，用于支持系統的啟動(dòng)的第二階段過(guò)程。創(chuàng )建初始化內存的方法，是隨著(zhù)你所使用的系統版本而改變的。從Fedora Core3以后，initrd就由回送設備（loop device）建立。什么是回送設備？它是一個(gè)設備驅動(dòng)，允許你將一個(gè)文件掛載為塊設備，并對其文件系統做出描述。也許loop device并不存在與你的內核中，但是你能夠通過(guò)內核的配置工具（make menuconfig）打開(kāi)它。路徑是：Device Drivers-》Block Devices-》LoopBack Device support。下面為檢查命令：
# 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
#
現在，你可以通過(guò)查看/mnt/initrd的子目錄來(lái)查看initrd的內容。需要注意的是，即使你的initrd鏡像文件并不是以.gz做為后綴名，但是你同樣可以通過(guò)增加此后綴名來(lái)讓gunzip打開(kāi)它。
從Fedora Core3開(kāi)始，默認的initrd鏡像就是一個(gè)壓縮的gpio歸檔文件。除了用掛載文件的方式以外，你同樣可以通過(guò)cpio歸檔的方式來(lái)將其掛載成使用了回送設備的壓縮鏡像。你可以通過(guò)以下的指令來(lái)檢查這個(gè)cpio歸檔文件的內容：
# 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 < initrd-2.6.14.2.img
你看到的結果將是一個(gè)小型根文件系統，如下所示：
# 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
#
一些小的，但是很有必要的程序組合能在./bin目錄下得到，包括nash（它不是一個(gè)shell，而是一個(gè)腳本解釋工具），用于加載內核模塊的insmod，以及l(fā)vm等。
上面所示目錄中，相對比較有趣的是root目錄下的初始化文件。這些文件，和傳統的linux啟動(dòng)過(guò)程中一樣，是在initrd鏡像被解壓縮到RAM中時(shí)生成的。待會(huì )我們將繼續探討這個(gè)問(wèn)題。
3 創(chuàng )建initrd的工具。
現在，讓我們回到一開(kāi)始的討論：initrd的鏡像是如何被創(chuàng )建的？在傳統的linux系統中，initrd是在linux build的時(shí)候被創(chuàng )建的。像mkinitrd這樣的許許多多的工具，都能夠用于通過(guò)必須的庫和模塊來(lái)自動(dòng)構建一個(gè)用于過(guò)渡到真實(shí)根文件系統的initrd。事實(shí)上，mkinitrd工具是一個(gè)腳本文件，因此，我們能夠很清楚得看到，這個(gè)過(guò)程是如何進(jìn)行的。同樣的，YAIRD (Yet Another Mkinitrd)工具，也允許我們自定制每一個(gè)initrd被構建的階段。
4 自己動(dòng)手，打造自定義的初始化內存盤(pán)
由于很多基于linux的嵌入式系統都沒(méi)有硬盤(pán)驅動(dòng)器，initrd也可以做為永久性的根文件系統。下面我就將告訴你們，如何創(chuàng )建一個(gè)initrd鏡像。我使用的是標準linux桌面系統，因此大家即使沒(méi)有嵌入式目標設備也可以照著(zhù)做。除了交叉編譯以外，嵌入式目標文件的構建過(guò)程是相同的。
#!/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 << EOF
#!/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
想創(chuàng )建initrd的話(huà)，你需要首先創(chuàng )建一個(gè)空文件，將/dev/zero（0字符流）做為ramdisk.img的輸入。得到的文件大小大約是4MB（有4000個(gè)1K的塊組成）。接下來(lái)，用mke2fs命令來(lái)創(chuàng )建一個(gè)使用這個(gè)空文件的ext2文件系統?，F在，這個(gè)文件就是一個(gè)ext2文件系統。ok，接下來(lái)，以回路設備的形式掛載這個(gè)文件到/mnt/initrd，現在，你就在掛載點(diǎn)擁有一個(gè)代表著(zhù)ext2文件系統的目錄，并用與存放你的initrd。其他大多數的腳本語(yǔ)句都是用于實(shí)現這個(gè)功能。
下一步，就是創(chuàng )建一些必須的子目錄，用于生成你的根文件系統： /bin, /sys, /dev, 和 /pro。這里只需要少數幾個(gè)目錄，例如，沒(méi)有/lib。但是它們已經(jīng)包含了大部分功能。
如果想讓你的根文件系統發(fā)揮更大的作用，請使用 BusyBox。這個(gè)工具是一個(gè)包含了許多獨立工具的鏡像，這些獨立的工具你都能在linux中找到（ ash, a等等wk, sed, insmod）。BusyBox的優(yōu)勢在于，它把它們集合在了一起，并分享了公用的部分，從而極大縮小了鏡像的體積。這對于嵌入式系統來(lái)講，是非常理想的。請將BustBox鏡像從它的源目錄中復制出來(lái)，到你的/bin目錄下，這樣，很多指向BusyBox工具集的符號鏈接將被創(chuàng )建，BusyBox能確定哪一個(gè)工具將被使用，并自動(dòng)引用它。這個(gè)/bin目錄下被創(chuàng )建的鏈接的小型集合將用于對啟動(dòng)腳本的支持。
再下一步，就是一小部分特殊設備文件的創(chuàng )建。我從我的/dev文件夾中直接拷貝了出來(lái)，別忘了加上-a選項來(lái)保持它們原有的屬性。
倒數第二步，就是生成linuxrc文件。在內核掛載了內存盤(pán)之后，它將搜索并執行相關(guān)的啟動(dòng)文件，如果沒(méi)有找到，內核就將linuxrc文件做為其啟動(dòng)腳本。你最好在這個(gè)文件中對環(huán)境變量做一些基本設置，例如掛載/proc文件系統等。除了/proc外，我還掛載了/sys文件系統，將消息發(fā)送給終端。最后，我調用ash并通過(guò)它和根文件系統交互。最后記住，用chmod把linuxrc文件的屬性改為可執行。
最后，你的根文件系統算是ok了?，F在它并沒(méi)有被掛載，用gzip將它壓縮，并將壓縮后的文件ramdisk.img.gz拷貝到/boot目錄下，這樣它就能被GRUB調用。
想要構建你的初始化ram盤(pán)的話(huà)，你只需要調用mkird，鏡像就將自動(dòng)創(chuàng )建并拷貝到/boot目錄下。
5 測試自定義的初始化RAM盤(pán)。
你擁有的新的initrd鏡像是在/boot目錄下，因此，下一步就是要用你默認的內核來(lái)測試它。ok，現在你可以先重新啟動(dòng)你的linux系統，當GRUB引導畫(huà)面出現時(shí)，按下C鍵，打開(kāi)GRUB的命令行工具?，F在，你就能通過(guò)GRUB確定啟動(dòng)專(zhuān)門(mén)的內核和initrd鏡像。內核命令是允許你定制內核文件的，而initrd命令則允許你指定專(zhuān)門(mén)的initrd鏡像文件。當它們都被指定之后，通過(guò)啟動(dòng)命令來(lái)啟動(dòng)內核，如下所示：
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.
在內核啟動(dòng)之后，它開(kāi)始檢查initrd鏡像是否可用，如果答案是確定的，那么就作為根文件系統加載并掛載它。下面就是這個(gè)特殊啟動(dòng)過(guò)程的結尾：
...
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
當啟動(dòng)之后，可以通過(guò)ash來(lái)進(jìn)入命令模式。在本例中，我探究了根文件系統并向你演示了，你能通過(guò)新建文件來(lái)寫(xiě)入這個(gè)文件系統。只需要注意，第一步是要創(chuàng )建linuxrc。
6 通過(guò)初始化內存盤(pán)啟動(dòng)
現在，大家已經(jīng)看到了如何構建并使用一個(gè)自定制的初始化內存盤(pán)，這一節則用于介紹，內核是如何辨認initrd并將其作為它的根文件系統掛載的。我將涉及一些boot chain中的主要的函數并對發(fā)生的事件做出解釋。
像GRUB這樣的boot loader，通常會(huì )確認即將加載的內核并復制該內核鏡像與任何相關(guān)聯(lián)的initrd到內存中，你可以在你linux內核源程序目錄下的./init子目錄中找到這些功能實(shí)現。
在內核與initrd鏡像被解壓縮和復制到內存后，內核被調用。此時(shí)，開(kāi)始各種各樣的初始化過(guò)程，最終，你會(huì )發(fā)現自己處于init/main.c:init() (subdir/file:function)。這個(gè)函數實(shí)現了很多的子系統初始化。在這里，要調用init/do_mounts.c:prepare_namespace()，用來(lái)準備命名空間(掛載dev 文件系統, RAID, 或者md, devices, 以及, 最后的initrd)。通過(guò)對 init/do_mounts_initrd.c:initrd_load()的調用，最終完成對initrd的加載。
initrd_load()調用init/do_mounts_rd.c:rd_load_image()，來(lái)決定是否通過(guò)調用init/do_mounts_rd.c:identify_ramdisk_image()來(lái)加載內存盤(pán)鏡像。后面這個(gè)函數通過(guò)檢查內核的編號來(lái)確定文件究竟是是minux，etc2，romfs，cramfs，還是gzip格式，直到返回initrd_load_image后，init/do_mounts_rd:crd_load()又被調用。這個(gè)函數負責分配空間給內存盤(pán)，并進(jìn)行校驗計算，解壓縮，最后將內存盤(pán)鏡像加載到內存中。此時(shí)，你就已經(jīng)擁有了一個(gè)適合于掛載的，在塊設備中的initrd鏡像。
現在，通過(guò)調用init/do_mounts.c:mount_root()將這個(gè)塊設備做為root掛載。ok，根設備就被創(chuàng )建了，接下來(lái)調用的函數是init/do_mounts.c:mount_block_root()，此函數又調用fs/namespace.c:sys_mount()來(lái)掛載真實(shí)的根文件系統并對其進(jìn)行chdir操作。
最后，會(huì )返回到啟動(dòng)函數中，并調用init/main.c:run_init_process。調用的結果是，初始化進(jìn)程開(kāi)始（在這里是通過(guò)/linuxrc）。linuxrc可以是一個(gè)可執行程序，也可以是腳本（只要腳本解釋器能夠正常解釋它）。
函數調用的層次關(guān)系可以從下表中看出。并不是所有與復制、掛載初始化內存盤(pán)的函數都被列舉出來(lái)，這里僅僅是大概的，對整體基本流程的回顧：
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
