剖析Linux系統啟動過程

內容提要

本文以RedHat9.0和i386平台為例，剖析了從使用者開啟電源直到螢幕出現命令列提示符的整個Linux啟動過程。並且介紹了啟動中涉及到的各種檔案。

閱讀Linux原始碼，無疑是深入學習Linux的最好方法。在本文對Linux啟動過程的介紹中，我們也嘗試從原始碼的視角來更深入的剖析Linux的啟動過程，所以其中也簡單涉及到部分相關的Linux原始碼，Linux啟動這部分的源碼主要使用的是C語言，也涉及到了少量的彙編。而啟動過程中也執行了大量的shell(主要是bash shell)所寫指令碼。為了方便讀者閱讀，筆者將整個Linux啟動過程分成以下幾個部分逐一介紹，大家可以參考下圖：

當使用者開啟PC的電源，BIOS開機自我測試 (POST)，按BIOS中設定的啟動裝置(通常是硬碟)啟動，接著啟動裝置上安裝的引導程式lilo或grub開始引導Linux，Linux首先進行核心的引導，接下來執行init程式，init程式調用了rc.sysinit和rc等程式，rc.sysinit和rc當完成系統初始化和運行服務的任務後，返回init；init啟動了mingetty後，開啟了終端供使用者登入系統，使用者登入成功後進入了Shell，這樣就完成了從開機到登入的整個啟動過程。

下面就將逐一介紹其中幾個關鍵的部分：

第一部分：核心的引導(核內引導)

Red Hat9.0可以使用lilo或grub等引導程式開始引導Linux系統，當引導程式成功完成引導任務後，Linux從它們手中接管了CPU的控制權，然後CPU就開始執行Linux的核心映象代碼，開始了Linux啟動過程。這裡使用了幾個組譯工具來引導Linux，這一步泛及到Linux原始碼樹中的“arch/i386/boot”下的這幾個檔案：bootsect.S、setup.S、video.S等。

其中bootsect.S是產生開機磁區的彙編源碼，它完成載入動作後直接跳轉到setup.S的程式入口。setup.S的主要功能就是將系統參數（包括記憶體、磁碟等，由BIOS返回）拷貝到特別記憶體中，以便以後這些參數被保護模式下的代碼來讀取。此外，setup.S還將video.S中的程式碼封裝含進來，檢測和設定顯示器和顯示模式。最後，setup.S將系統轉換到保護模式，並跳轉到 0x100000。

那麼0x100000這個記憶體位址中存放的是什麼代碼？而這些代碼又是從何而來的呢？

0x100000這個記憶體位址存放的是解壓後的核心，因為Red Hat提供的核心包含了眾多驅動和功能而顯得比較大，所以在核心編譯中使用了“makebzImage”方式，從而產生壓縮過的核心，在RedHat中核心常常被命名為vmlinuz，在Linux的最初引導過程中，是通過"arch/i386/boot/compressed/"中的head.S利用misc.c中定義的decompress_kernel()函數，將核心vmlinuz解壓到0x100000的。

當CPU跳到0x100000時，將執行"arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32，它也是vmlinux的入口，然後就跳轉到start_kernel()中去了。start_kernel()是"init/main.c"中的定義的函數，start_kernel()中調用了一系列初始化函數，以完成kernel本身的設定。start_kernel()函數中，做了大量的工作來建立基本的Linux核心環境。如果順利執行完start_kernel()，則基本的Linux核心環境已經建立起來了。

在start_kernel()的最後，通過調用init()函數，系統建立第一個核心線程，啟動了init過程。而核心線程init()主要是來進行一些外設初始化的工作的，包括調用do_basic_setup()完成外設及其驅動程式的載入和初始化。並完成檔案系統初始化和root檔案系統的安裝。

當do_basic_setup()函數返回init()，init()又開啟了/dev/console裝置，重新導向三個標準的輸入輸出檔案stdin、stdout和stderr到控制台，最後，搜尋檔案系統中的init程式（或者由init=命令列參數指定的程式），並使用 execve()系統調用載入執行init程式。到此init()函數結束，核心的引導部分也到此結束了，