一、基本概念介紹
1.1 rootfs
什麼是根檔案系統？理論上說一個嵌入式裝置如果核心能執行起來，且不需要使用者程序的話（估計這種情況很少），是不需要檔案系統的。檔案系統簡單的說就是一種目錄結構，由於linux作業系統的裝置在系統中是以檔案的形式存在，將這些檔案分類管理以及提供和核心互動的介面，就形成了一定的目錄結構也就是檔案系統。檔案系統是為使用者反映系統的一種形式，為使用者提供一個檢測控制系統的介面。
而根檔案系統，就是一種特殊的檔案系統。那麼根檔案系統和普通的檔案系統有什麼區別呢？
借用書上的話說就是，根檔案系統就是核心啟動時掛載的第一個檔案系統。由於根檔案系統是啟動時掛載的第一個檔案系統，那麼根檔案系統就要包括linux啟動時所必須的目錄和關鍵性的檔案，例如linux啟動時都需要有使用者程序init對應的檔案，在linux掛載分割槽時一定要會找/etc/fstab這個掛載檔案等，根檔案系統中還包括了許多的應用程式，如 /bin目錄下的命令等。任何linux啟動時所必須的檔案的檔案系統都可以稱為根檔案系統。
根檔案系統，對應/目錄節點，分為虛擬rootfs和真實rootfs。
1.1.1 虛擬rootfs
虛擬rootfs由核心自己建立和載入，僅僅存在於記憶體之中，其檔案系統是tmpfs型別或者ramfs型別。
1.1.2 真實rootfs
真實rootfs則是指根檔案系統存在於儲存裝置上，核心在啟動過程中會在虛擬rootfs上掛載這個儲存裝置，然後將/目錄節點切換到這個儲存裝置上，這樣儲存裝置上的檔案系統就會被作為根檔案系統使用。
1.2 initrd
initrd總的來說目前有兩種格式：image格式和cpio格式。
當系統啟動的時候，bootloader會把initrd檔案讀到記憶體中，然後把initrd檔案在記憶體中的起始地址和大小傳遞給核心；
- 可以透過
bootargs引數initrd指定其地址範圍； - 也可以透過備樹
dts裡的chosen節點的中的linux,initrd-start和linux,initrd-end屬性指定其地址範圍；
核心在啟動初始化過程中會解壓縮initrd檔案，然後將解壓後的initrd掛載為根目錄，然後執行根目錄中的/linuxrc指令碼；
cpio格式的initrd為/init；image格式的initrd為/initrc；，
我們可以在這個指令碼中載入真實檔案系統。這樣，就可以mount真正的根目錄，並切換到這個根目錄中來。
1.2.1 image-initrd
image-initrd是將一塊記憶體當作物理磁碟，然後在上面載入檔案系統，比如我們在《Rockchip RK3399 - busybox 1.36.0製作根檔案系統》製作的ramdisk檔案系統就是就屬於這一種。
1.2.1.1 核心ramdisk配置
為了能夠使用ramdisk，核心必須要支援ramdisk，即：在編譯核心時，要選中如下配置；
Device Drivers --->
[*] Block devices --->
<*> RAM block device support
(1) Default number of RAM disks
(131072) Default RAM disk size (kbytes)
配置完成，會在.config生成如下配置：
CONFIG_BLK_DEV_RAM=y
CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT=1
CONFIG_BLK_DEV_RAM_SIZE=131072
同時為了讓核心有能力在核心載入階段就能裝入ramdisk，並執行其中的內容，要選中：
General setup --->
[*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
會在配置檔案中定義CONFIG_BLK_DEV_INITRD。
1.2.1.2 啟動引數
在uboot啟動核心時指定根檔案系統的位置；修改uboot啟動引數bootargs中的root屬性為root=/dev/ram0，表示根目錄掛載點為/dev/ram0塊裝置；
假設ramdisk.gz檔案被載入到記憶體指定位置0x42000000。修改bootargs加入如下配置：
initrd=0x42000000,0x14000000
initrd引數格式為：地址,長度，這裡裝置RAM地址為0x42000000起始，只要是在核心RAM實體地址空間內。長度這裡只要比ramdisk.gz壓縮包大小大就可以了。
1.2.1.3 掛載方式
當系統啟動的時候，bootloader會把image-initrd檔案讀到記憶體中，核心將image-initrd儲存在rootfs下的initrd.image中， 並將其讀入/dev/ram0中，根據root是否等於/dev/ram0做不同的處理；
root != /dev/ram0：bootloader- >kernel->image-initrd（載入訪問real rootfs的必備驅動） ->/linuxrc指令碼（載入real rootfs）,核心解除安裝/dev/ram0，釋放initrd記憶體，最後核心啟動init程序(/sbin/init)；root = /dev/ram0：bootloader->kernel->image initrd直接將/dev/ram0作為根檔案系統, 核心啟動init程序/sbin/init。
1.2.2 cpio-initrd
特指使用cpio格式建立的initrd映像，和編譯進核心的initramfs格式是一樣的，只不過它是獨立存在的，也被稱為外部initramfs，
1.2.2.1 核心配置
需要在make menuconfig中配置以下選項就可以了：
General setup --->
[*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
1.2.2.2 啟動引數
透過備樹dts裡的chosen節點的中的linux,initrd-start和linux,initrd-end屬性指定其地址範圍；
chosen {
linux,initrd-start=xxxxxx
linux,initrd-end=xxxxxx
}
1.2.2.3 掛載方式
當系統啟動的時候，bootloader會把cpio-initrd檔案讀到記憶體中，核心將cpio-initrd釋放到rootfs，結束核心對cpio-initrd的操作。
bootloader -> kernel -> cpio-initrd（載入訪問real rootfs的必備驅動等）-> /init指令碼（載入real rootfs，並啟動了init程序/sbin/init)。
1.3 initramfs
在linux 2.5核心開始引入initramfs技術，是一個基於ram的檔案系統，只支援cpio格式。
它的作用和cpio-initrd類似，initramfs和核心一起編譯到了一個新的映象檔案。
initramfs被連結進了核心中特殊的資料段.init.ramfs上，其中全域性變數__initramfs_start和__initramfs_end分別指向這個資料段的起始地址和結束地址。核心啟動時會對.init.ramfs段中的資料進行解壓，然後使用它作為臨時的根檔案系統。
1.3.1 核心配置
要製作這樣的核心，我們只需要在make menuconfig中配置以下選項就可以了：
General setup --->
[*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
(/opt/filesystem) Initramfs source file(s)
其中/opt/filesystem就是根目錄，這裡可以使一個現成的gzip壓縮的cpio，也可以使一個目錄。
1.3.2 掛載方式
initramfs和cpio-initrd的區別, initramfs是將cpio rootfs編譯進核心，而cpio-initrd中cpio rootfs是不編譯入核心，是外部的。其掛載方式和cpio-initrd是一致的。
當系統啟動的時候，核心將initramfs釋放到rootfs，結束核心對initramfs的操作。
bootloader -> kernel -> initramfs（載入訪問real rootfs的必備驅動等）-> /init指令碼（載入real rootfs，並啟動了init程序/sbin/init)。
二、原始碼分析
核心有關根檔案系統掛載的呼叫鏈路如下：
start_kernel
vfs_caches_init()
mnt_init()
// 建立虛擬根檔案系統
init_rootfs()
register_filesystem(&rootfs_fs_type)
init_ramfs_fs
register_filesystem(&ramfs_fs_type)
// 註冊根檔案系統
init_mount_tree()
rest_init
kernel_init
kernel_init_freeable
if(!ramdisk_execute_command)
ramdisk_execute_command="/"
do_basic_setup
do_initcalls
populate_rootfs
unpack_to_rootfs
run_init_process(ramdisk_execute_command)
2.1 VFS的註冊
首先不得不從linux系統的函式start_kernel說起。函式start_kernel中會去呼叫vfs_caches_init來初始化VFS，函式位於fs/dcache.c；
void __init vfs_caches_init(void)
{
names_cachep = kmem_cache_create_usercopy("names_cache", PATH_MAX, 0,
SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, 0, PATH_MAX, NULL);
dcache_init();
inode_init();
files_init();
files_maxfiles_init();
mnt_init();
bdev_cache_init();
chrdev_init();
}
函式mnt_init會建立一個rootfs，這是個虛擬的rootfs，即記憶體檔案系統，後面還會指向真實的檔案系統。
2.1.1 mnt_init
mnt_init函式位於fs/namespace.c：
void __init mnt_init(void)
{
int err;
mnt_cache = kmem_cache_create("mnt_cache", sizeof(struct mount),
0, SLAB_HWCACHE_ALIGN | SLAB_PANIC, NULL);
mount_hashtable = alloc_large_system_hash("Mount-cache",
sizeof(struct hlist_head),
mhash_entries, 19,
HASH_ZERO,
&m_hash_shift, &m_hash_mask, 0, 0);
mountpoint_hashtable = alloc_large_system_hash("Mountpoint-cache",
sizeof(struct hlist_head),
mphash_entries, 19,
HASH_ZERO,
&mp_hash_shift, &mp_hash_mask, 0, 0);
if (!mount_hashtable || !mountpoint_hashtable)
panic("Failed to allocate mount hash table\n");
kernfs_init();
err = sysfs_init();
if (err)
printk(KERN_WARNING "%s: sysfs_init error: %d\n",
__func__, err);
fs_kobj = kobject_create_and_add("fs", NULL);
if (!fs_kobj)
printk(KERN_WARNING "%s: kobj create error\n", __func__);
// 建立虛擬根檔案系統
init_rootfs();
// 註冊根檔案系統
init_mount_tree();
}
2.1.2 init_rootfs
init_rootfs定義在init/do_mounts.c；
static struct file_system_type rootfs_fs_type = {
.name = "rootfs",
.mount = rootfs_mount,
.kill_sb = kill_litter_super,
};
int __init init_rootfs(void)
{
int err = register_filesystem(&rootfs_fs_type);
if (err)
return err;
if (IS_ENABLED(CONFIG_TMPFS) && !saved_root_name[0] &&
(!root_fs_names || strstr(root_fs_names, "tmpfs"))) {
err = shmem_init();
is_tmpfs = true;
} else {
err = init_ramfs_fs();
}
if (err)
unregister_filesystem(&rootfs_fs_type);
return err;
}
2.1.3 init_mount_tree
init_mount_tree函式位於fs/namespace.c：
static void __init init_mount_tree(void)
{
struct vfsmount *mnt;
struct mnt_namespace *ns;
struct path root;
struct file_system_type *type;
type = get_fs_type("rootfs");
if (!type)
panic("Can't find rootfs type");
// 建立虛擬檔案系統
mnt = vfs_kern_mount(type, 0, "rootfs", NULL);
put_filesystem(type);
if (IS_ERR(mnt))
panic("Can't create rootfs");
ns = create_mnt_ns(mnt);
if (IS_ERR(ns))
panic("Can't allocate initial namespace");
init_task.nsproxy->mnt_ns = ns;
get_mnt_ns(ns);
root.mnt = mnt;
root.dentry = mnt->mnt_root;
mnt->mnt_flags |= MNT_LOCKED;
set_fs_pwd(current->fs, &root);
// 將當前的檔案系統配置為根檔案系統
set_fs_root(current->fs, &root);
}
可能有人會問，為什麼不直接把真實的檔案系統配置為根檔案系統？
答案很簡單，核心中沒有根檔案系統的裝置驅動，如usb、eMMC等存放根檔案系統的裝置驅動，而且即便你將根檔案系統的裝置驅動編譯到核心中，此時它們還尚未載入，其實所有的驅動是由在後面的kernel_init執行緒進行載入，所以需要initrd/initramfs。
2.2 VFS的掛載
參考文章
[1] linux核心啟動initramfs與initrd及其掛載
[2] 嵌入式軟體開發之------淺析linux根檔案系統掛載（九）
[3] 根檔案系統的含義和相關重要概念以及載入程式碼分析