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构建初始内存盘 (initrd, init ram disk)

在 Linux 启动时，需要首先加载 initrd 进行初始化的操作。以下操作可以构建一个最小化的 initrd。我们首先创建一个 C 程序，代码如下：

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello, Linux!\n");
    return 0;
}

保存为 init.c。之后编译，静态链接为可执行程序。

gcc -static init.c -o init

创建一个新的目录用于放置文件。在新的目录下打包 initrd：

find . | cpio --quiet -H newc -o | gzip -9 -n > ../initrd.cpio.gz

这会在目录外创建压缩后的 initrd.cpio.gz 内存盘。同样，我们使用 QEMU 测试效果。

qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.22/arch/x86_64/boot/bzImage -initrd ramdisk/test3/initrd.cpio.gz

当你看到屏幕上出现 "Hello, Linux!" 的时候，就成功了。

（3/7 更新：因为默认的分辨率比较小，在测试的时候可能看不到屏幕上的消息。可以在命令后面加上 -append 'vga=0x343'（下面会提到）提高显示的屏幕分辨率）

测试程序

我们提供了三个静态链接的测试程序，在合适的环境下可以独立运行。它们的功能分别是：

  • 程序 1: 调用 Linux 下的系统调用，每隔 1 秒显示一行信息。显示五次。
  • 程序 2: 向串口输出一条信息。此程序依赖 /dev/ttyS0 设备文件。
  • 程序 3: 在 TTY 中使用 Framebuffer 显示一张图片。需要 800x600 32ppm 的 VGA 设置。此程序依赖 /dev/fb0 设备文件。

你需要做的是：编写一个 init 程序，执行这三个程序。具体的要求见介绍页面。

为了能够得到正确的结果，你的 QEMU 命令需要将串口设置为「标准输入输出」(-serial stdio)，并且使用内核参数通知内核设置正确的图形分辨率与颜色位数 (-append 'vga=0x343')。

qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.22/arch/x86_64/boot/bzImage -initrd ramdisk/test3/initrd.cpio.gz -append 'vga=0x343' -serial stdio

关于设备文件

/dev/ttyS0 和 /dev/fb0 不是普通的文件。它们是设备文件，需要使用 mknod 创建。

在 Linux 中主要有两类设备文件：块设备文件（有缓冲）、字符设备文件（无缓冲）。

  • 块设备 (b)：以块为单位与硬件设备传输文件。对它的写入操作会被缓存，由内核在合适的时候发送给硬件。
  • 字符设备 (c)：以字节为单位与硬件设备传输文件。

在创建时，还需要提供主设备号 (Major) 和次设备号 (Minor)。设备文件一般位于 /dev/，可以使用 ls -l 查看它们的信息。

$ ls -l /dev/null
crw-rw-rw- 1 root root 1, 3 Feb 14 20:27 /dev/null
$ ls -l /dev/sda
brw-rw---- 1 root disk 8, 0 Feb 14 20:27 /dev/sda

这里可以看到，空设备 (/dev/null) 为字符设备 (c)，主设备号为 1，次设备号为 3。第一块硬盘对应的设备 (/dev/sda) 为块设备 (b)，主设备号为 8，次设备号为 0。

为了能够在你的 init 执行的时候为程序 2 与程序 3 准备好这两个设备文件，你需要做的是，在 init 中调用 mknod 程序或者调用 mknod 系统调用生成这两个文件。已知 /dev/ttyS0 为字符设备文件，主设备号为 4，次设备号为 64；/dev/fb0 为字符设备文件，主设备号为 29，次设备号为 0。

你可以使用 man 1 mknod 查看 mknod 程序的帮助，使用 man 2 mknod 查看 mknod 系统调用的帮助。这两者都需要最高用户权限。

以下是一个在 C 语言中使用 mknod() 系统调用，在当前目录创建空设备文件 (null) 的示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sysmacros.h>

int main() {
    if (mknod("./null", S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR, makedev(1, 3)) == -1) {
        perror("mknod() failed");
    }
    return 0;
}

$ gcc mknod_example.c -o mknod_example
$ sudo ./mknod_example
$ ls -l null
crw------- 1 root root 1, 3 Mar  1 17:10 null

当然，你也可以先使用 mknod 创建设备文件，然后再打包 initrd。但是需要注意两点：

  • Vlab 平台不支持用户直接使用 mknod，即使是 root，但可以在 fakeroot 环境中进行操作（见下方）。
  • 输入错误的主、次设备号，创建的设备文件可能会指向错误的硬件。进行写入操作可能会损坏对应的硬件，或使你的文件丢失。当然，在 init 中执行操作的话，在 QEMU 虚拟环境下就不需要担心这一点。

在 fakeroot 环境中打包 initrd

fakeroot 将建立一个虚拟的 root 环境，使 mknod 得以在 Vlab 平台使用。

fakeroot 的使用非常简单，只需要在加入设备文件及打包前输入：

fakeroot

即可以虚拟的 root 身份操作，输入：

mknod dev/ttyS0 c 4 64
mknod dev/fb0 c 29 0
find . | cpio --quiet -H newc -o | gzip -9 -n > ../initrd.cpio.gz

这样便可以打包好 initrd，再输入：

exit

即可退出虚拟 root 环境。

使用 BusyBox 构建 initrd（可选）

BusyBox 是一个将许多常用 Unix 命令行工具打包进一个二进制文件的项目，在嵌入式系统等存储空间有限的环境中非常常见。你可以选择使用 BusyBox 提供的工具来编写你的 init 程序，并打包 initrd。

方便起见，你可以直接从这里下载已编译好的 BusyBox: https://www.busybox.net/downloads/binaries/1.30.0-i686/busybox

BusyBox 的特点之一是，如果你使用某个支持的别名来运行它，它就会像那条命令一样工作，例如：

$ wget -qO busybox "https://www.busybox.net/downloads/binaries/1.30.0-i686/busybox"
$ chmod 755 busybox
$ mv busybox ls
$ ./ls

你会发现 BusyBox 此时的功能就和 ls 命令一模一样。

创建符号链接是最常见的以别名使用 BusyBox 的方式，下面的示范就以 BusyBox 为基础构建了一个 initrd，并使用 BusyBox 内置的 shell 作为一个可交互的 init。

$ mkdir -p rootfs/bin/
$ 把 busybox 文件放进 rootfs/bin/
$ cd rootfs/bin/
$ for item in $(./busybox --list)
> do
>   ln -s busybox $item
> done

然后向 rootfs/init 中写入以下内容：

#!/bin/sh

/bin/sh

给这个 init 文件加上执行权限，并按照前面的教程所述，将 rootfs/ 目录打包为 initrd.cpio.gz，使用 QEMU 启动，你就能在自己编译的 Linux 系统中使用 shell 来探索了。

如果你希望在进入 shell 之前运行额外的命令，例如使用 mknod 创建必要的设备文件，你可以将它们写在 init 文件中，这些命令就会被依次执行。