Linux内核启动之根文件系统挂载

一、基本概念介绍

  1.1 rootfs

  什么是根文件系统？理论上说一个嵌入式设备如果内核能运行起来，且不必要用户进程的话(估计这种情况很少)，是不必要文件系统的。文件系统简单的说就是一种目录结构，由于linux操纵系统的设备在系统中是以文件的形式存在，将这些文件分类管理以及提供和内核交互的接口，就形成了一定的目录结构也就是文件系统。文件系统是为用户反映系统的一种形式，为用户提供一个检测控制系统的接口。
  而根文件系统，就是一种特殊的文件系统。那么根文件系统和普通的文件系统有什么区别呢？
  借用书上的话说就是，根文件系统就是内核启动时挂载的第一个文件系统。由于根文件系统是启动时挂载的第一个文件系统，那么根文件系统就要包括linux启动时所必须的目录和关键性的文件，例如linux启动时都必要有效户进程init对应的文件，在linux挂载分区时一定要会找/etc/fstab这个挂载文件等，根文件系统中还包括了许多的应用程序，如 /bin目录下的下令等。任何linux启动时所必须的文件的文件系统都可以称为根文件系统。
  根文件系统，对应/目录节点，分为虚拟rootfs和真实rootfs。
  1.1.1 虚拟rootfs

  虚拟rootfs由内核自己创建和加载，仅仅存在于内存之中，其文件系统是tmpfs类型或者ramfs类型。
  1.1.2 真实rootfs

  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。
  1.2 initrd

  initrd总的来说现在有两种格式：image格式和cpio格式。
  当系统启动的时候，bootloader会把initrd文件读到内存中，然后把initrd文件在内存中的起始地点和大小通报给内核；
  

• 可以通过bootargs参数initrd指定其地点范围；
  
• 也可以通过备树dts里的chosen节点的中的linux,initrd-start和linux,initrd-end属性指定其地点范围；
  

  内核在启动初始化过程中会解压缩initrd文件，然后将解压后的initrd挂载为根目录，然后实行根目录中的/linuxrc脚本；
  

• cpio格式的initrd为/init；
  
• image格式的initrd为/initrc；，
  

  我们可以在这个脚本中加载真实文件系统。这样，就可以mount真正的根目录，并切换到这个根目录中来。
  1.2.1 image-initrd

  image-initrd是将一块内存看成物理磁盘，然后在上面载入文件系统，好比我们在《Rockchip RK3399 - busybox 1.36.0制作根文件系统》制作的ramdisk文件系统就是就属于这一种。
  1.2.1.1 内核ramdisk设置

  为了能够使用ramdisk，内核必须要支持ramdisk，即：在编译内核时，要选中如下设置；

1. Device Drivers  --->
2.      [*] Block devices  --->
3.           <*>   RAM block device support
4.           (1)     Default number of RAM disks
5.         (131072) Default RAM disk size (kbytes)

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设置完成，会在.config天生如下设置：

1. CONFIG_BLK_DEV_RAM=y
2. CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT=1
3. CONFIG_BLK_DEV_RAM_SIZE=131072

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同时为了让内核有本领在内核加载阶段就能装入ramdisk，并运行其中的内容，要选中：

1. General setup  --->
2.     [*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support

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会在设置文件中界说CONFIG_BLK_DEV_INITRD。
  1.2.1.2 启动参数

  在uboot启动内核时指定根文件系统的位置；修改uboot启动参数bootargs中的root属性为root=/dev/ram0，表示根目录挂载点为/dev/ram0块设备；
  假设ramdisk.gz文件被加载到内存指定位置0x42000000。修改bootargs加入如下设置：

1. initrd=0x42000000,0x14000000

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initrd参数格式为：地点,长度，这里设备RAM地点为0x42000000起始，只要是在内核RAM物理地点空间内。长度这里只要比ramdisk.gz压缩包大小大就可以了。
  1.2.1.3 挂载方式

  当系统启动的时候，bootloader会把image-initrd文件读到内存中，内核将image-initrd生存在rootfs下的initrd.image中， 并将其读入/dev/ram0中，根据root是否等于/dev/ram0做不同的处理；
  

• root != /dev/ram0：bootloader - >kernel -> image-initrd(加载访问real rootfs的必备驱动) -> /linuxrc 脚本(加载real rootfs),内核卸载/dev/ram0，开释initrd内存，末了内核启动init进程(/sbin/init)；
  
• root = /dev/ram0：bootloader -> kernel -> image initrd直接将/dev/ram0作为根文件系统, 内核启动init进程/sbin/init。
  

  1.2.2 cpio-initrd

  特教唆用cpio格式创建的initrd映像，和编译进内核的initramfs格式是一样的，只不过它是独立存在的，也被称为外部initramfs，
  1.2.2.1 内核设置

  必要在make menuconfig中设置以下选项就可以了：

1. General setup  --->
2.     [*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support

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1.2.2.2 启动参数

  通过备树dts里的chosen节点的中的linux,initrd-start和linux,initrd-end属性指定其地点范围；

1. chosen {
2.         linux,initrd-start=xxxxxx
3.         linux,initrd-end=xxxxxx
4. }

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1.2.2.3 挂载方式

  当系统启动的时候，bootloader会把cpio-initrd文件读到内存中，内核将cpio-initrd开释到rootfs，结束内核对cpio-initrd的操纵。
  bootloader -> kernel -> cpio-initrd(加载访问real rootfs的必备驱动等)-> /init脚本(加载real rootfs，并启动了init进程/sbin/init)。
  1.3 initramfs

  在linux 2.5内核开始引入initramfs技能，是一个基于ram的文件系统，只支持cpio格式。
  它的作用和cpio-initrd类似，initramfs和内核一起编译到了一个新的镜像文件。
  initramfs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点和结束地点。内核启动时会对.init.ramfs段中的数据举行解压，然后使用它作为暂时的根文件系统。
  1.3.1 内核设置

  要制作这样的内核，我们只必要在make menuconfig中设置以下选项就可以了：

1. General setup  --->
2.     [*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support(/opt/filesystem) Initramfs source file(s)

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其中/opt/filesystem就是根目录，这里可以使一个现成的gzip压缩的cpio，也可以使一个目录。
  1.3.2 挂载方式

  initramfs和cpio-initrd的区别, initramfs是将cpio rootfs编译进内核，而cpio-initrd中cpio rootfs是不编译入内核，是外部的。其挂载方式和cpio-initrd是一致的。
  当系统启动的时候，内核将initramfs开释到rootfs，结束内核对initramfs的操纵。
  bootloader -> kernel -> initramfs(加载访问real rootfs的必备驱动等)-> /init脚本(加载real rootfs，并启动了init进程/sbin/init)。
  二、源码分析

  内核有关根文件系统挂载的调用链路如下：

1. start_kernel
2.         vfs_caches_init()
3.                 mnt_init()
4.                     // 创建虚拟根文件系统
5.                         init_rootfs()
6.                                 register_filesystem(&rootfs_fs_type)
7.                                 init_ramfs_fs
8.                                         register_filesystem(&ramfs_fs_type)
9.                     // 注册根文件系统
10.                         init_mount_tree()
11.         rest_init
12.                 kernel_init
13.                         kernel_init_freeable
14.                                 if(!ramdisk_execute_command)
15.                                         ramdisk_execute_command="/"
16.                                 do_basic_setup
17.                                         do_initcalls
18.                                                 populate_rootfs
19.                                                         unpack_to_rootfs
20.                 run_init_process(ramdisk_execute_command)

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2.1 VFS的注册

  首先不得不从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，函数位于fs/dcache.c；

1. void __init vfs_caches_init(void)
2. {
3.         names_cachep = kmem_cache_create_usercopy("names_cache", PATH_MAX, 0,
4.                         SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, 0, PATH_MAX, NULL);
6.         dcache_init();
7.         inode_init();
8.         files_init();
9.         files_maxfiles_init();
10.         mnt_init();
11.         bdev_cache_init();
12.         chrdev_init();
13. }

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函数mnt_init会创建一个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。
  2.1.1 mnt_init

  mnt_init函数位于fs/namespace.c：

1. void __init mnt_init(void)
2. {
3.         int err;
5.         mnt_cache = kmem_cache_create("mnt_cache", sizeof(struct mount),
6.                         0, SLAB_HWCACHE_ALIGN | SLAB_PANIC, NULL);
8.         mount_hashtable = alloc_large_system_hash("Mount-cache",
9.                                 sizeof(struct hlist_head),
10.                                 mhash_entries, 19,
11.                                 HASH_ZERO,
12.                                 &m_hash_shift, &m_hash_mask, 0, 0);
13.         mountpoint_hashtable = alloc_large_system_hash("Mountpoint-cache",
14.                                 sizeof(struct hlist_head),
15.                                 mphash_entries, 19,
16.                                 HASH_ZERO,
17.                                 &mp_hash_shift, &mp_hash_mask, 0, 0);
19.         if (!mount_hashtable || !mountpoint_hashtable)
20.                 panic("Failed to allocate mount hash table\n");
22.         kernfs_init();
24.         err = sysfs_init();
25.         if (err)
26.                 printk(KERN_WARNING "%s: sysfs_init error: %d\n",
27.                         __func__, err);
28.         fs_kobj = kobject_create_and_add("fs", NULL);
29.         if (!fs_kobj)
30.                 printk(KERN_WARNING "%s: kobj create error\n", __func__);
31.             // 创建虚拟根文件系统
32.         init_rootfs();
33.             // 注册根文件系统
34.         init_mount_tree();
35. }

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2.1.2 init_rootfs

  init_rootfs界说在init/do_mounts.c；

1. static struct file_system_type rootfs_fs_type = {
2.         .name           = "rootfs",
3.         .mount          = rootfs_mount,
4.         .kill_sb        = kill_litter_super,
5. };
7. int __init init_rootfs(void)
8. {
9.         int err = register_filesystem(&rootfs_fs_type);
11.         if (err)
12.                 return err;
14.         if (IS_ENABLED(CONFIG_TMPFS) && !saved_root_name[0] &&
15.                 (!root_fs_names || strstr(root_fs_names, "tmpfs"))) {
16.                 err = shmem_init();
17.                 is_tmpfs = true;
18.         } else {
19.                 err = init_ramfs_fs();
20.         }
22.         if (err)
23.                 unregister_filesystem(&rootfs_fs_type);
25.         return err;
26. }

复制代码

2.1.3 init_mount_tree

  init_mount_tree函数位于fs/namespace.c：

1. static void __init init_mount_tree(void)
2. {
3.         struct vfsmount *mnt;
4.         struct mnt_namespace *ns;
5.         struct path root;
6.         struct file_system_type *type;
8.         type = get_fs_type("rootfs");
9.         if (!type)
10.                 panic("Can't find rootfs type");
11.             // 创建虚拟文件系统
12.         mnt = vfs_kern_mount(type, 0, "rootfs", NULL);
13.         put_filesystem(type);
14.         if (IS_ERR(mnt))
15.                 panic("Can't create rootfs");
17.         ns = create_mnt_ns(mnt);
18.         if (IS_ERR(ns))
19.                 panic("Can't allocate initial namespace");
21.         init_task.nsproxy->mnt_ns = ns;
22.         get_mnt_ns(ns);
24.         root.mnt = mnt;
25.         root.dentry = mnt->mnt_root;
26.         mnt->mnt_flags |= MNT_LOCKED;
28.         set_fs_pwd(current->fs, &root);
29.             // 将当前的文件系统配置为根文件系统
30.         set_fs_root(current->fs, &root);
31. }

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大概有人会问，为什么不直接把真实的文件系统设置为根文件系统？
  答案很简单，内核中没有根文件系统的设备驱动，如usb、eMMC等存放根文件系统的设备驱动，而且即便你将根文件系统的设备驱动编译到内核中，此时它们还尚未加载，其实所有的驱动是由在后面的kernel_init线程举行加载，所以必要initrd/initramfs。
  2.2 VFS的挂载

  参考文章
  [1] linux内核启动initramfs与initrd及其挂载
  [2] 嵌入式软件开辟之------浅析linux根文件系统挂载(九)
  [3] 根文件系统的含义和相干重要概念以及加载代码分析

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