linux 下的 initrd ramdisk

在Linux操作系统中,有一项特殊的功能——初始化内存盘INITRD(INITial Ram Disk)技术,而且内核支持压缩的文件系统映像。有了这两项功能,我们可以让Linux系统从小的初始化内存盘启动,并把系统内存的一部分作为根文件系统挂载。

  Ramdisk就是将内存的一部分分配为一个分区并作为硬盘来使用。对于系统运行时不断使用的程序,将它们放在Ramdisk中将加快计算机的操作,如大数据量的网络服务器、无盘工作站等。为了能够使用Ramdisk,我们在编译内核时须将block device中的Ramdisk支持选上,它下面还有两个选项,一个是设定Ramdisk的大小,默认是4096k;另一个是设定默认个数。如果要使用initrd,还得选上的支持。它既可以直接编译进内核,也可以编译成模块,在需要的时候加载。我们由于在启动时就用它,所以必须将它直接编译进内核。



什么是Initrd

   initrd的英文含义是 boot loader initialized RAM disk,就是由boot loader初始化的内存盘。在 linux内核启动前, boot loader 会将存储介质中的 initrd 文件加载到内存,内核启动时会在访问真正的根文件系统前先访问该内存中的 initrd 文件系统

   在 boot loader 配置了 initrd 的情况下,内核启动被分成了两个阶段,第一阶段先执行 initrd文件系统中的"某个文件",完成加载驱动模块等任务,第二阶段才会执行真正的根文件系统中的 /sbin/init 进程。

   这里提到的"某个文件",Linux2.6 内核会同以前版本内核的不同,所以这里暂时使用了"某个文件"这个称呼,后面会详细讲到。

   第一阶段启动的目的是为第二阶段的启动扫清一切障碍,最主要的是加载根文件系统存储介质的驱动模块。为了在内核启动之后能够判断哪些硬件驱动需要加载,哪些不需要,文件系统有没有问题等,最终使得根分区能顺利加载。我们知道根文件系统可以存储在包括IDE、SCSI、USB在内的多种介质上,如果将这些设备的驱动都编译进内核,可以想象内核会多么庞大、臃肿。


Initrd的用途

   1.linux 发行版的必备部件

   linux 发行版必须适应各种不同的硬件架构,将所有的驱动编译进内核是不现实的,initrd技术是解决该问题的关键技术,Linux发行版在内核中只编译了基本的硬件驱动,在安装过程中通过检测系统硬件,生成包含安装系统硬件驱动的initrd,无非是一种即可行又灵活的解决方案。

   2.livecd 的必备部件

   同linux发行版相比livecd可能会面对更加复杂的硬件环境,所以也必须使用initrd。

   3.制作 Linux usb 启动盘必须使用 initrd

   usb 设备是启动比较慢的设备,从驱动加载到设备真正可用大概需要几秒钟时间。如果将usb驱动编译进内核,内核通常不能成功访问usb设备中的文件系统。因为在内核访问usb设备时,usb设备通常没有初始化完毕。所以常规的做法是,在 initrd 中加载usb驱动,然后休眠几秒中,等待usb设备初始化完毕后再挂载usb设备中的文件系统。

   4.在linuxrc脚本中可以很方便地启用个性化bootsplash。


Linux2.6内核对Initrd的处理流程

   linux2.6内核支持两种格式的initrd,一种是前面第3部分介绍的linux2.4内核那种传统格式的文件系统镜像-image-initrd,它的制作方法同Linux2.4内核的initrd一样,其核心文件就是/linuxrc。另外一种格式的initrd 是cpio格式的,这种格式的initrd从 linux2.5 起开始引入,使用cpio工具生成,其核心文件不再是/linuxrc,而是/init,本文将这种initrd称为cpio-initrd。

   尽管linux2.6内核对cpio-initrd和image-initrd这两种格式的initrd均支持,但对其处理流程有着显著的区别,下面分别介绍linux2.6内核对这两种initrd的处理流程。

   cpio-initrd 的处理流程

   1.boot loader把内核以及initrd文件加载到内存的特定位置。

   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。

   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.boot loader把内核以及initrd文件加载到内存的特定位置。

   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..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正常启动。

   7.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。

   8./linuxrc执行完毕,常规根文件系统被挂载

   9.如果常规根文件系统存在/initrd目录,那么/dev/ram0将从/移动到/initrd。否则如果/initrd目录不存在,/dev/ram0将被卸载。

   10.在常规根文件系统上进行正常启动过程 ,执行/sbin/init。

通过上面的流程介绍可知,Linux2.6内核对image-initrd的处理流程同linux2.4内核相比并没有显著的变化,cpio-initrd的处理流程相比于image-initrd的处理流程却有很大的区别,流程非常简单。


nitial RAM disk

Linux初始RAM磁盘(initrd)是在系统引导过程中挂载的一个临时根文件系统,用来支持两阶段的引导过程。initrd文件中包含了各种可执行程序和驱动程序,它们可以用来挂载实际的根文件系统,然后再将这个 initrd RAM磁盘卸载,并释放内存。在很多嵌入式Linux系统中,initrd 就是最终的根文件系统。本文将探索 Linux 2.6 的初始 RAM磁盘,包括如何创建以及如何在Linux内核中使用。


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。


一开始我被ramdiskinitrd这两个东西弄胡涂了,其实ramdisk只是在ram上实现的块设备,initrd可以说是启动过程中用到的一种机制。就是在装载linux之前,bootloader可以把一个比较小的根文件系统的映象装载在内存的某个指定位置,姑且把这段内存称为initrd,然后通过传递参数的方式告诉内核initrd的起始地址和大小(也可以把这些参数编译在内核中),在启动阶段就可以暂时的用initrdmount根文件系统。initrd的最初的目的是为了把kernel的启动分成两个阶段:在kernel中保留最少最基本的启动代码,然后把对各种各样硬件设备的支持以模块的方式放在initrd中,这样就在启动过程中可以从initrdmount的根文件系统中装载需要的模块。这样的一个好处就是在保持kernel不变的情况下,通过修改initrd中的内容就可以灵活的支持不同的硬件。在启动完成的最后阶段,根文件系统可以重新mount到其他设备上,但是也可以不再重新mount(很多嵌入式系统就是这样)。 initrd的具体实现过程是这样的:bootloader把根文件系统映象装载到内存指定位置,把相关参数传递给内核,内核启动时把initrd中的内容复制到ramdisk中(ram0),把initrd占用的内存释放掉,在ram0mount根文件系统。从这个过程可以看出,内核需要对同时对ramdiskinitrd的支持。

initrd的最初的目的是为了把kernel的启动分成两个阶段:在kernel中保留最少最基本的启动代码,然后把对各种各样硬件设备的支持以模块的方式放在initrd中,这样就在启动过程中可以从initrdmount的根文件系统中装载需要的模块。这样的一个好处就是在保持kernel不变的情况下,通过修改initrd中的内容就可以灵活的支持不同的硬件。在启动完成的最后阶段,根文件系统可以重新mount到其他设备上。 

标准的答案是:initrd是linux在系统引导过程中使用的一个临时的根文件系统,用来支持两阶段的引导过程。

再白话一点,initrd就是一个带有根文件系统的虚拟RAM盘,里面包含了根目录‘/’,以及其他的目录,比如:bin,dev,proc,sbin,sys等linux启动时必须的目录,以及在bin目录下加入了一下必须的可执行命令。

PC或者服务器linux内核使用这个initrd来挂载真正的根文件系统,然后将此initrd从内存中卸掉,这种情况下initrd其实就是一个过渡使用的东西。 当然也可以不卸载这个initrd,直接将其作为根文件系统使用,这当然是在没有硬盘的情况下了,这种情况多用在没有磁盘的超轻量级的嵌入式系统。 其实现在的大多数嵌入式系统也是有自己的磁盘的,所以,initrd在现在大多数的嵌入式系统中也作过渡使用。

Initrd的引导过程

    ‘第二阶段引导程序’,常用的是grub将内核解压缩并拷贝到内存中,然后内核接管了CPU开始执行,然后内核调用init()函数,注意,此init函数并不是后来的init进程!!!然后内核调用函数initrd_load()来在内存中加载initrd根文件系统。Initrd_load()函数又调用了一些其他的函数来为RAM磁盘分配空间,并计算CRC等操作。然后对RAM磁盘进行解压,并将其加载到内存中。现在,内存中就有了initrd的映象。

    然后内核会调用mount_root()函数来创建真正的跟分区文件系统,然后调用sys_mount()函数来加载真正的根文件系统,然后chdir到这个真正的根文件系统中。

    最后,init函数调用run_init_process函数,利用execve来启动init进程,从而进入init的运行过程。





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