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嵌入式 制作x86平台Linux跟文件系统initrd.img

2019-07-12 18:22发布

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什么是初始 RAM磁盘？ 初始 RAM磁盘（initrd）是在实际根文件系统可用之前挂载到系统中的一个初始根文件系统。initrd与内核绑定在一起，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文件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件系统，并挂载实际的根文件系统。 initrd中包含了实现这个目标所需要的目录和可执行程序的最小集合，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是一个临时的文件系统。其生存周期很短，只会用作到真实文件系统的一个桥梁。在没有存储设备的嵌入式系统中，initrd是永久的根文件系统。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序和系统文件。 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 是一个设备驱动程序，利用它可以将文件作为一个块设备挂载到系统中，然后就可以查看这个文件系统中的内容了。在您的内核中可能并没有loop 设备，不过这可以通过内核配置工具（makemenuconfig）选择 DeviceDrivers > Block Devices > Loopback DeviceSupport 来启用。我们可以按照下面的方法来查看loop 设备的内容（initrd 文件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 ext2 -o loop initrd.img /mnt/initrd # ls -la /mnt/initrd #   现在我们就可以查看 /mnt/initrd 子目录中的内容了，这就代表了 initrd 文件的内容。注意，即使您的 initrd映像文件不是以 .gz 结尾，它也可能是一个压缩文件，您可以给这个文件添加上 .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 归档文件。我们不用再使用 loop设备来将 initrd 作为压缩映像进行挂载，而是可以将其作为 cpio 归档文件来使用。要查看 cpio归档文件的内容，可以使用下面的命令：
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 < initrd-2.6.14.2.img #   结果会生成一个很小的根文件系统，如清单 3 所示。在 ./bin目录中有一组很少但却非常必要的应用程序，包括nash（即 not ashell，是一个脚本解释器）、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 文件就在根目录中。与传统的 Linux 引导过程类似，这个文件也是在将 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，我们可以对cpio 文件进行操作。cpio 是一种文件格式，它简单地使用文件头将一组文件串接在一起。cpio 文件格式可以使用 ASCII和二进制文件。为了保证可移植性，我们可以使用 ASCII格式。为了减小文件大小，我们可以使用二进制的版本。

下面让我们回到最开始，来看一下 initrd 映像最初是如何构建的。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，都可以用来使用必要的库和模块自动构建initrd，从而用作与真实的根文件系统之间的桥梁。mkinitrd 工具实际上就是一个 shell脚本，因此我们可以看到它究竟是如何来实现这个结果的。还有一个 YAIRD（即Yet Another Mkinitrd）工具，可以对 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件系统使用。清单 4显示了如何创建一个 initrd 映像文件。我使用了一个标准的 Linux桌面，这样您即使没有嵌入式平台，也可以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 << 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         为了创建 initrd，我们最开始创建了一个空文件，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 文件中。所生成的文件大小是 4MB（4000 个 1K 大小的块）。然后使用 mke2fs 命令在这个空文件上创建了一个 ext2（即second extended）文件系统。现在这个文件变成了一个 ext2 格式的文件系统，我们使用 loop 设备将这个文件挂载到/mnt/initrd 上了。在这个挂载点上，我们现在就有了一个目录，它以 ext2 文件系统的形式呈现出来，我们可以对自己的initrd 文件进行拼装了。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件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。        为了可以使用根文件系统，我们使用了 BusyBox。这个工具是一个单一映像，其中包含了很多在 Linux系统上通常可以找到的工具（例如 ash、awk、sed、insmod 等）。BusyBox的优点是它将很多工具打包成一个文件，同时还可以共享它们的通用元素，这样可以极大地减少映像文件的大小。这对于嵌入式系统来说非常理想。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，它们都指向 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（每个命令都是一个指向 BusyBox 的链接。） 下一个步骤是创建几个特殊的设备文件。我从自己当前的 /dev 子目录中直接拷贝了这些文件，这使用了 -a 选项（归档）来保留它们的属性。      倒数第二个步骤是生成 linuxrc 文件。在内核挂载 RAM 磁盘之后，它会查找 init 文件来执行。如果没有找到init 文件，内核就会调用linuxrc 文件作为自己的启动脚本。我们在这个文件中实现对环境的基本设置，例如挂载 /proc 文件系统。除了 /proc之外，我还挂载了 /sys 文件系统，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），这样就可以与根文件系统进行交互了。linuxrc 文件然后使用 chmod 命令修改成可执行的。 最后，我们的根文件系统就完成了。我们将其卸载掉，然后使用 gzip 对其进行压缩。所生成的文件（ramdisk.img.gz）被拷贝到/boot 子目录中，这样就可以通过 GNU GRUB 对其进行加载了。 要构建初始 RAM 磁盘，我们可以简单地调用 mkird，这样就会自动创建这个映像文件，并将其拷贝到/boot 目录中。

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