使用mkbootfs制作ramdisk根文件系统

环境

Qemu：QEMU emulator version 3.1.0

Linux：Linux-4.14.13

工具链：arm-none-linux-gnueabi-gcc  （gcc version 4.8.3 20140320）

Android：7.1.2

busybox：BusyBox v1.24.2

 

概述

         Android系统使用的根文件系统是用mkbootfs和minigzip制作的，其中mkbootfs用于将根文件系统打包成cpio格式，也可以用cpio工具来打包，将来Linux内核在启动时会调用init/initramfs.c中的函数unpack_to_rootfs对cpio格式进行解包[调用路径：start_kernel --> rest_init --> kernel_init --> kernel_init_freeable --> do_basic_setup --> do_initcalls --> do_initcall_level --> do_one_initcall --> populate_rootfs --> unpack_to_rootfs]，在内存中构造出根文件系统结构，mkbootfs工具是Android自己实现的，支持的功能也比cpio弱很多。minigzip也是Android实现的一个压缩工具，是对gzip的简化。

        minigzip的源码位于：external/zlib/

        mkbootfs的源码位于：system/core/cpio/mkbootfs.c

        不过需要注意mkbootfs的功能要比cpio弱，从mkbootfs.c的代码注释中可以看出来：

/* NOTES
**
** - see buffer-format.txt from the linux kernel docs for
**   an explanation of this file format
** - dotfiles are ignored
** - directories named 'root' are ignored
** - device notes, pipes, etc are not supported (error)
*/

　　　　上面的信息说明了如下几点：

1. 对cpio格式的说明，Linux内核文档Documentation/early-userspace/buffer-format.txt中有详细说明说明：

The full format of the initramfs buffer is defined by the following
grammar, where:
        *       is used to indicate "0 or more occurrences of"
        (|)     indicates alternatives
        +       indicates concatenation
        GZIP()  indicates the gzip(1) of the operand
        ALGN(n) means padding with null bytes to an n-byte boundary

        initramfs  := ("" | cpio_archive | cpio_gzip_archive)*

        cpio_gzip_archive := GZIP(cpio_archive)

        cpio_archive := cpio_file* + (<nothing> | cpio_trailer)

        cpio_file := ALGN(4) + cpio_header + filename + "" + ALGN(4) + data

        cpio_trailer := ALGN(4) + cpio_header + "TRAILER!!!" + ALGN(4)

2. 名为"."的文件会被忽略，不会进行打包。

3. 名为"root"的文件也会被忽略，不会进行打包。

4. 不支持设备节点以及管道文件。所以在使用mkbootfs时，需要确保被打包的路径下没有这两种文件，否者会导致错误，并且Linux内核也无法正常访问指定的文件。

 

   此外，在使用mkbootfs时还需要注意的时，mkbootfs会对打包的文件的权限以及uid和gid进行修改（在函数fix_stat中），有可能会遇到本来具备可执行权限的文件，在用mkbootfs打包成cpio格式后，该文件的可执行权限丢失了，比如/etc/init.d/rcS。

 

用法

lib_path=`readlink -f ./lib`
bin_path=`readlink -f ./bin/`

export LD_LIBRARY_PATH=${lib_path}:$LD_LIBRARY_PATH
export PATH=${bin_path}:$PATH

rm -f ramdisk.img ramdisk.cpio
rm -rf ./tmp/

# pack
pushd rootfs2
mkbootfs -f ../config.txt . | minigzip > ../ramdisk.img
mkbootfs -f ../config.txt . > ../ramdisk.cpio
popd

# unpack
mkdir -p tmp
pushd tmp
cpio -i < ../ramdisk.cpio
popd

其中config.txt是一个配置文件，内容如下：

etc/init.d/rcS 0 0 0755
 0 0 0744

第1行，把"etc/init.d/rcS"文件的uid设置为0，gid设置为0，权限设置为0755

第2行，所有其他文件的uid都设置0，gid也设置为0，权限设置为0744

需要注意的是，第2行开始有一个空格，并且需要放在最后一行，对具体文件的设置要放到前面。详见mkbootfs.c中函数read_canned_config。

 

    如果没有个指定config.txt，那么会使用Android代码中自带的配置机制[在fix_stat中会调用fs_config]，功能要比config.txt更完善，如果在使用mkbootfs时还设置了-d <path>，那么函数fs_config会优先使用<path>/system/etc/fs_config_dirs和<path>/system/etc/fs_config_files中描述的规则，前者针对目录，后者针对其他文件。如果没有给mkbootfs传递-d <path>参数，那么使用Android在源码中指定的规则，它们存放在两个数组中，一个针对目录，一个针对其他文件：

 

针对目录的配置规则：

/* Rules for directories.
** These rules are applied based on "first match", so they
** should start with the most specific path and work their
** way up to the root.
*/

static const struct fs_path_config android_dirs[] = { 
    { 00770, AID_SYSTEM, AID_CACHE,  0, "cache" },
    { 00500, AID_ROOT,   AID_ROOT,   0, "config" },
    { 00771, AID_SYSTEM, AID_SYSTEM, 0, "data/app" },
    { 00771, AID_SYSTEM, AID_SYSTEM, 0, "data/app-private" },
    { 00771, AID_SYSTEM, AID_SYSTEM, 0, "data/app-ephemeral" },
    { 00771, AID_ROOT,   AID_ROOT,   0, "data/dalvik-cache" },
    { 00771, AID_SYSTEM, AID_SYSTEM, 0, "data/data" },
    { 00771, AID_SHELL,  AID_SHELL,  0, "data/local/tmp" },
    { 00771, AID_SHELL,  AID_SHELL,  0, "data/local" },
    { 01771, AID_SYSTEM, AID_MISC,   0, "data/misc" },
    { 00770, AID_DHCP,   AID_DHCP,   0, "data/misc/dhcp" },
    { 00771, AID_SHARED_RELRO, AID_SHARED_RELRO, 0, "data/misc/shared_relro" },
    { 00775, AID_MEDIA_RW, AID_MEDIA_RW, 0, "data/media" },
    { 00775, AID_MEDIA_RW, AID_MEDIA_RW, 0, "data/media/Music" },
    { 00750, AID_ROOT,   AID_SHELL,  0, "data/nativetest" },
    { 00750, AID_ROOT,   AID_SHELL,  0, "data/nativetest64" },
    ... ...

针对其他文件的规则：

static const struct fs_path_config android_files[] = {
    { 00440, AID_ROOT,      AID_SHELL,     0, "system/etc/init.goldfish.rc" },
    { 00550, AID_ROOT,      AID_SHELL,     0, "system/etc/init.goldfish.sh" },
    { 00550, AID_ROOT,      AID_SHELL,     0, "system/etc/init.ril" },
    { 00555, AID_ROOT,      AID_ROOT,      0, "system/etc/ppp/*" },
    { 00555, AID_ROOT,      AID_ROOT,      0, "system/etc/rc.*" },
    { 00440, AID_ROOT,      AID_ROOT,      0, "system/etc/recovery.img" },
    { 00444, AID_ROOT,      AID_ROOT,      0, conf_dir + 1 },
    { 00444, AID_ROOT,      AID_ROOT,      0, conf_file + 1 },
    { 00644, AID_SYSTEM,    AID_SYSTEM,    0, "data/app/*" },
    { 00644, AID_MEDIA_RW,  AID_MEDIA_RW,  0, "data/media/*" },
    { 00644, AID_SYSTEM,    AID_SYSTEM,    0, "data/app-private/*" },
    { 00644, AID_SYSTEM,    AID_SYSTEM,    0, "data/app-ephemeral/*" },
    { 00644, AID_APP,       AID_APP,       0, "data/data/*" },
    { 00640, AID_ROOT,      AID_SHELL,     0, "data/nativetest/tests.txt" },
    { 00640, AID_ROOT,      AID_SHELL,     0, "data/nativetest64/tests.txt" },
    ... ...

验证

1.  使用压缩格式的ramdisk.img (mkbootfs -f ../config.txt . | minigzip > ../ramdisk.img)

kernel_dir=./Linux-4.14.13
kernel_image=${kernel_dir}/arch/arm/boot/zImage
dtb_image=${kernel_dir}/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb
qemu_path=/home/pengdonglin/disk_ext/Qemu/qemu-3.1.0/build/install/bin

${qemu_path}/qemu-system-arm 
    -M vexpress-a9 
    -m 1024M 
    -smp 1 
    -kernel ${kernel_image} 
    -nographic 
    -append "root=/dev/ram0 rw rootfstype=ramfs console=ttyAMA0 init=/init ignore_loglevel" 
    -initrd ./rootfs/ramdisk.img 
    -dtb ${dtb_image}

部分启动log：

[    0.609270] Trying to unpack rootfs image as initramfs...
[    0.965940] Freeing initrd memory: 3616K

 

2. 使用非压缩的ramdisk.cpio （mkbootfs -f ../config.txt . > ../ramdisk.cpio）

kernel_dir=./Linux-4.14.13
kernel_image=${kernel_dir}/arch/arm/boot/zImage
dtb_image=${kernel_dir}/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb
qemu_path=/home/pengdonglin/disk_ext/Qemu/qemu-3.1.0/build/install/bin

${qemu_path}/qemu-system-arm 
    -M vexpress-a9 
    -m 1024M 
    -smp 1 
    -kernel ${kernel_image} 
    -nographic 
    -append "root=/dev/ram0 rw rootfstype=ramfs console=ttyAMA0 init=/init ignore_loglevel" 
    -initrd ./rootfs/ramdisk.cpio 
    -dtb ${dtb_image}

 

部分启动log：

[    0.610055] Trying to unpack rootfs image as initramfs...
[    0.760468] Freeing initrd memory: 7040K

此外，Linux内核本身也支持在编译时将指定的外部根文件系统编译成cpio.gz格式，然后跟Linux内核链接到一起，在启动时就不需要指定initrd了，Linux内核支持的打包工具usr/gen_init_cpio.c也比mkbootfs强大：

配置内核：

General setup --->

        [*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support

        (/home/pengdonglin/aarch32/rootfs/rootfs) Initramfs source file(s)

 

Linux内核对这部分的处理请参考usr/Makefile，下面是加入上面的配置之后的部分内核编译log：

  GEN     usr/initramfs_data.cpio.gz
  GZIP    kernel/config_data.gz
  CHK     kernel/config_data.h
  UPD     kernel/config_data.h
  CC      kernel/configs.o
  AR      kernel/built-in.o
  AS      usr/initramfs_data.o
  AR      usr/built-in.o

展开：

/bin/bash ./scripts/gen_initramfs_list.sh -o usr/initramfs_data.cpio.gz  -u 0  -g 0  /home/pengdonglin/disk_ext/Qemu/aarch32/rootfs/rootfs

下面是测试命令:

kernel_dir=./Linux-4.14.13
kernel_image=${kernel_dir}/arch/arm/boot/zImage
dtb_image=${kernel_dir}/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb
qemu_path=/home/pengdonglin/disk_ext/Qemu/qemu-3.1.0/build/install/bin

${qemu_path}/qemu-system-arm 
    -M vexpress-a9 
    -m 1024M 
    -smp 1 
    -kernel ${kernel_image} 
    -nographic 
    -append "root=/dev/ram0 rw rootfstype=ramfs console=ttyAMA0 init=/init ignore_loglevel" 
    -dtb ${dtb_image}

此外，在Documentation/filesystems/ramfs-rootfs-initramfs.txt提供了一个使用cpio打包的脚本：

185   #!/bin/sh
186 
187   # Copyright 2006 Rob Landley <rob@landley.net> and TimeSys Corporation.
188   # Licensed under GPL version 2
189 
190   if [ $# -ne 2 ]
191   then
192     echo "usage: mkinitramfs directory imagename.cpio.gz"
193     exit 1
194   fi
195 
196   if [ -d "$1" ]
197   then
198     echo "creating $2 from $1"
199     (cd "$1"; find . | cpio -o -H newc | gzip) > "$2"
200   else
201     echo "First argument must be a directory"
202     exit 1
203   fi

完。