Linux啟動過程綜述

Linux啟動過程綜述

來源：IBM

2002-11-28 0:18:00

作者：楊沙洲 　　 　　文以Redhat 6.0 Linux 2.2.19 for Alpha/AXP為平台，描述了從開機到登入的 Linux 啟動全過程。該文對i386平台同樣適用。 　　一. Bootloader 　　在Alpha/AXP平台上引導Linux通常有兩種方法，一種是由MILO及其他類似的引導程式引導，另一種是由Firmware直接引導。MILO功能與i386平台的LILO相近，但內建有基本的磁碟驅動程式（如IDE、SCSI等），以及常見的檔案系統驅動程式（如ext2，iso9660等）， firmware有ARC、SRM兩種形式，ARC具有類BIOS介面，甚至還有多重開機的設定；而SRM則具有功能強大的命令列介面，使用者可以在控制台上使用boot等命令引導系統。ARC有分區（Partition）的概念，因此可以訪問到分區的首扇區；而SRM只能將控制轉給磁碟的首扇區。兩種firmware都可以通過引導MILO來引導Linux，也可以直接引導Linux的引導代碼。 　　 　　“arch/alpha/boot”下就是製作Linux Bootloader的檔案。“head.S”檔案提供了對 OSF PAL/1的調用入口，它將被編譯後置於開機磁區（ARC的分區首扇區或SRM的磁碟0扇區），得到控制後初始化一些資料結構，再將控制轉給“main.c”中的start_kernel()， start_kernel()向控制台輸出一些提示，調用pal_init()初始化PAL代碼，調用openboot() 開啟引導裝置（通過讀取Firmware環境），調用load()將核心代碼載入到START_ADDR（見 “include/asm-alpha/system.h”），再將Firmware中的核心引導參數載入到ZERO_PAGE(0) 中，最後調用runkernel()將控制轉給0x100000的kernel，bootloader部分結束。 　　 　　“arch/alpha/boot/bootp.c”以“main.c”為基礎，可代替“main.c”與“head.S” 產生用於BOOTP協議網路引導的Bootloader。 　　Bootloader中使用的所有“srm_”函數在“arch/alpha/lib/”中定義。 　　 　　以上這種Boot方式是一種最簡單的方式，即不需其他工具就能引導Kernel，前提是按照 Makefile的指導，產生bootimage檔案，內含以上提到的bootloader以及vmlinux，然後將 bootimage寫入自磁碟開機磁區始的位置中。 　　 　　當採用MILO這樣的引導程式來引導Linux時，不需要上面所說的Bootloader，而只需要 vmlinux或vmlinux.gz，引導程式會主動解壓載入核心到0x1000（小核心）或0x100000（大核心），並直接進入核心引導部分，即本文的第二節。 　　 　　對於I386平台 　　i386系統中一般都有BIOS做最初的引導工作，那就是將四個主要磁碟分割表中的第一個可引導分區的第一個扇區載入到實模式地址0x7c00上，然後將控制轉交給它。 　　 　　在“arch/i386/boot”目錄下，bootsect.S是產生開機磁區的彙編源碼，它首先將自己拷貝到0x90000上，然後將緊接其後的setup部分（第二扇區）拷貝到0x90200，將真正的核心代碼拷貝到0x100000。以上這些拷貝動作都是以bootsect.S、setup.S以及vmlinux在磁碟上連續存放為前提的，也就是說，我們的bzImage檔案或者zImage檔案是按照bootsect，setup， vmlinux這樣的順序組織，並存放於始於引導分區的首扇區的連續磁碟扇區之中。 　　 　　bootsect.S完成載入動作後，就直接跳轉到0x90200，這裡正是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 0x90000-0x901FF記憶體中，這個地方正是bootsect.S存放的地方，這時它將被系統參數覆蓋。以後這些參數將由保護模式下的代碼來讀取。 　　 　　除此之外，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（對於bzImage格式的大核心是 0x100000，對於zImage格式的是0x1000）的核心引導代碼，Bootloader過程結束。 　　 　　對於2.4.x版核心 　　沒有什麼變化。 　　 　　二.Kernel引匯入口 　　 　　 　　在arch/alpha/vmlinux.lds的連結指令碼控制下，連結程式將vmlinux的入口置於 "arch/alpha/kernel/head.S"中的__start上，因此當Bootloader跳轉到0x100000時， __start處的代碼開始執行。__start的代碼很簡單，只需要設定一下全域變數，然後就跳轉到start_kernel去了。start_kernel()是"init/main.c"中的asmlinkage函數，至此，啟動過程轉入體繫結構無關的通用C代碼中。 　　 　　 　　對於I386平台 　　在i386體繫結構中，因為i386本身的問題，在"arch/alpha/kernel/head.S"中需要更多的設定，但最終也是通過call SYMBOL_NAME(start_kernel)轉到start_kernel()這個體繫結構無關的函數中去執行了。 　　 　　所不同的是，在i386系統中，當核心以bzImage的形式壓縮，即大核心方式（__BIG_KERNEL__）壓縮時就需要預先處理bootsect.S和setup.S，按照大核模式使用$(CPP) 處理產生bbootsect.S和bsetup.S，然後再編譯產生相應的.o檔案，並使用 "arch/i386/boot/compressed/build.c"產生的build工具，將實際的核心（未壓縮的，含 kernel中的head.S代碼）與"arch/i386/boot/compressed"下的head.S和misc.c合成到一起，其中的head.S代替了"arch/i386/kernel/head.S"的位置，由Bootloader引導執行（startup_32入口），然後它調用misc.c中定義的decompress_kernel()函數，使用 "lib/inflate.c"中定義的gunzip()將核心解壓到0x100000，再轉到其上執行 "arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32代碼。 　　 　　對於2.4.x版核心 　　沒有變化。 　　 　　三.核心資料結構初始化--核心引導第一部分 　　start_kernel()中調用了一系列初始化函數，以完成kernel本身的設定。這些動作有的是公用的，有的則是需要配置的才會執行的。 　　 　　在start_kernel()函數中， 　　輸出Linux版本資訊（printk(linux_banner)） 　　設定與體繫結構相關的環境（setup_arch()） 　　頁表結構初始化（paging_init()） 　　使用"arch/alpha/kernel/entry.S"中的進入點設定系統自陷入口（trap_init()） 　　使用alpha_mv結構和entry.S入口初始化系統IRQ（init_IRQ()） 　　核心進程調度器初始化（包括初始化幾個預設的Bottom-half，sched_init()） 　　時間、定時器初始化（包括讀取CMOS時鐘、估測主頻、初始化定時器中斷等，time_init()） 　　提取並分析核心啟動參數（從環境變數中讀取參數，設定相應標誌位等待處理，（parse_options()） 　　控制台初始化（為輸出資訊而先於PCI初始化，console_init()） 　　剖析器資料結構初始化（prof_buffer和prof_len變數） 　　核心Cache初始化（描述Cache資訊的Cache，kmem_cache_init()） 　　延遲校準（獲得時鐘jiffies與CPU主頻ticks的延遲，calibrate_delay()） 　　記憶體初始化（設定記憶體上下界和頁表項初始值，mem_init()） 　　建立和設定內部及通用cache（"slab_cache"，kmem_cache_sizes_init()） 　　建立uid taskcount SLAB cache（"uid_cache"，uidcache_init()） 　　建立檔案cache（"files_cache"，filescache_init()） 　　建立目錄cache（"dentry_cache"，dcache_init()） 　　建立與虛存相關的cache（"vm_area_struct"，"mm_struct"，vma_init()） 　　塊裝置讀寫緩衝區初始化（同時建立"buffer_head"cache使用者加速訪問，buffer_init()） 　　建立頁cache（記憶體頁hash表初始化，page_cache_init()） 　　建立訊號隊列cache（"signal_queue"，signals_init()） 　　初始化記憶體inode表（inode_init()） 　　建立記憶體檔案描述符表（"filp_cache"，file_table_init()） 　　檢查體繫結構漏洞（對於alpha，此函數為空白，check_bugs()） 　　SMP機器其餘CPU（除當前引導CPU）初始化（對於沒有配置SMP的核心，此函數為空白，smp_init()） 　　啟動init過程（建立第一個核心線程，調用init()函數，原執行序列調用cpu_idle() 等待調度，init()） 　　至此start_kernel()結束，基本的核心環境已經建立起來了。 　　 　　 　　對於I386平台 　　i386平台上的核心啟動過程與此基本相同，所不同的主要是實現方式。 　　 　　對於2.4.x版核心 　　2.4.x中變化比較大，但基本過程沒變，變動的是各個資料結構的具體實現，比如Cache。 　　 　　四.外設初始化--核心引導第二部分 　　init()函數作為核心線程，首先鎖定核心（僅對SMP機器有效），然後調用 do_basic_setup()完成外設及其驅動程式的載入和初始化。過程如下： 　　 　　匯流排初始化（比如pci_init()） 　　網路初始化（初始化網路資料結構，包括sk_init()、skb_init()和proto_init()三部分，在proto_init()中，將調用protocols結構中包含的所有協議的初始化過程，sock_init()） 　　建立bdflush核心線程（bdflush()過程常駐核心空間，由核心喚醒來清理被寫過的記憶體緩衝區，當bdflush()由kernel_thread()啟動後，它將自己命名為kflushd） 　　建立kupdate核心線程（kupdate()過程常駐核心空間，由核心按時調度執行，將記憶體緩衝區中的資訊更新到磁碟中，更新的內容包括超級塊和inode表） 　　設定並啟動核心調頁線程kswapd（為了防止kswapd啟動時將版本資訊輸出到其他資訊中間，核心線調用kswapd_setup()設定kswapd運行所要求的環境，然後再建立 kswapd核心線程） 　　建立事件管理核心線程（start_context_thread()函數啟動context_thread()過程，並重新命名為keventd） 　　裝置初始化（包括並口parport_init()、字元裝置chr_dev_init()、塊裝置 blk_dev_init()、SCSI裝置scsi_dev_init()、網路裝置net_dev_init()、磁碟初始化及分區檢查等等，device_setup()） 　　執行檔案格式設定（binfmt_setup()） 　　啟動任何使用__initcall標識的函數（方便核心開發人員添加啟動函數，do_initcalls()） 　　檔案系統初始化（filesystem_setup()） 　　安裝root檔案系統（mount_root()） 　　至此do_basic_setup()函數返回init()，在釋放啟動記憶體段（free_initmem()）並給核心解鎖以後，init()開啟/dev/console裝置，重新導向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。 　　 　　 　　init()函數到此結束，核心的引導部分也到此結束了，這個由start_kernel()建立的第一個線程已經成為一個使用者模式下的進程了。此時系統中存在著六個運行實體： 　　 　　start_kernel()本身所在的執行體，這其實是一個"手工"建立的線程，它在建立了init()線程以後就進入cpu_idle()迴圈了，它不會在進程（線程）列表中出現 　　init線程，由start_kernel()建立，當前處於使用者態，載入了init程式 　　kflushd核心線程，由init線程建立，在核心態運行bdflush()函數 　　kupdate核心線程，由init線程建立，在核心態運行kupdate()函數 　　kswapd核心線程，由init線程建立，在核心態運行kswapd()函數 　　keventd核心線程，由init線程建立，在核心態運行context_thread()函數 　　 　　 　　 　　對於I386平台 　　基本相同。 　　 　　對於2.4.x版核心 　　這一部分的啟動過程在2.4.x核心中簡化了不少，預設的獨立初始化過程只剩下網路（sock_init()）和建立事件管理核心線程，而其他所需要的初始化都使用__initcall()宏包含在do_initcalls()函數中啟動執行。 　　 　　五.init進程和inittab引導指令 　　init進程是系統所有進程的起點，核心在完成核內引導以後，即在本線程（進程）空間內載入init程式，它的進程號是1。 　　 　　init程式需要讀取/etc/inittab檔案作為其行為指標，inittab是以行為單位的描述性（非執行性）文本，每一個指令行都具有以下格式： 　　 　　id:runlevel:action:process其中id為入口標識符，runlevel為運行層級，action為動作代號，process為具體的執行程式。 　　 　　id一般要求4個字元以內，對於getty或其他login程式項，要求id與tty的編號相同，否則getty程式將不能正常工作。 　　 　　runlevel是init所處於的運行層級的標識，一般使用0－6以及S或s。0、1、6運行層級被系統保留，0作為shutdown動作，1作為重啟至單一使用者模式，6為重啟；S和s意義相同，表示單一使用者模式，且無需inittab檔案，因此也不在inittab中出現，實際上，進入單一使用者模式時，init直接在控制台（/dev/console）上運行/sbin/sulogin。 　　 　　在一般的系統實現中，都使用了2、3、4、5幾個層級，在Redhat系統中，2表示無NFS支援的多使用者模式，3表示完全多使用者模式（也是最常用的層級），4保留給使用者自訂，5表示XDM圖形登入方式。7－9層級也是可以使用的，傳統的Unix系統沒有定義這幾個層級。runlevel可以是並列的多個值，以匹配多個運行層級，對大多數action來說，僅當runlevel與當前運行層級匹配成功才會執行。 　　 　　initdefault是一個特殊的action值，用於標識預設的啟動層級；當init由核心啟用以後，它將讀取inittab中的initdefault項，取得其中的runlevel，並作為當前的運行層級。如果沒有inittab檔案，或者其中沒有initdefault項，init將在控制台上請求輸入 runlevel。 　　 　　sysinit、boot、bootwait等action將在系統啟動時無條件運行，而忽略其中的runlevel，其餘的action（不含initdefault）都與某個runlevel相關。各個action的定義在inittab的man手冊中有詳細的描述。 　　 　　在Redhat系統中，一般情況下inittab都會有如下幾項： 　　 　　id:3:initdefault: 　　#表示當前預設運行層級為3--完全多任務模式； 　　si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit 　　#啟動時自動執行/etc/rc.d/rc.sysinit指令碼 　　l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3 　　#當運行層級為3時，以3為參數運行/etc/rc.d/rc指令碼，init將等待其返回 　　0:12345:respawn:/sbin/mingetty tty0 　　#在1－5各個層級上以tty0為參數執行/sbin/mingetty程式，開啟tty0終端用於 　　#使用者登入，如果進程退出則再次運行mingetty程式 　　x:5:respawn:/usr/bin/X11/xdm -nodaemon 　　#在5層級上運行xdm程式，提供xdm圖形方式登入介面，並在退出時重新執行 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　六.rc啟動指令碼 　　上一節已經提到init進程將啟動運行rc指令碼，這一節將介紹rc指令碼具體的工作。 　　 　　一般情況下，rc啟動指令碼都位於/etc/rc.d目錄下，rc.sysinit中最常見的動作就是啟用交換分區，檢查磁碟，載入硬體模組，這些動作無論哪個運行層級都是需要優先執行的。僅當rc.sysinit執行完以後init才會執行其他的boot或bootwait動作。 　　 　　如果沒有其他boot、bootwait動作，在運行層級3下，/etc/rc.d/rc將會得到執行，命令列參數為3，即執行/etc/rc.d/rc3.d/目錄下的所有檔案。rc3.d下的檔案都是指向/etc/rc.d/init.d/目錄下各個Shell指令碼的符號串連，而這些指令碼一般能接受start、stop、restart、status等參數。rc指令碼以start參數啟動所有以S開頭的指令碼，在此之前，如果相應的指令碼也存在K打頭的連結，而且已經處於運行態了（以/var/lock/subsys/下的檔案作為標誌），則將首先啟動K開頭的指令碼，以stop作為參數停止這些已經啟動了的服務，然後再重新運行。顯然，這樣做的直接目的就是當init改變運行層級時，所有相關的服務都將重啟，即使是同一個層級。 　　 　　rc程式執行完畢後，系統內容已經設定好了，下面就該使用者登入系統了。 　　 　　七.getty和login 　　在rc返回後，init將得到控制，並啟動mingetty（見第五節）。mingetty是getty的簡化，不能處理串口操作。getty的功能一般包括： 　　 　　開啟終端線，並設定模式 　　輸出登入介面及提示，接受使用者名稱的輸入 　　以該使用者名稱作為login的參數，載入login程式 　　預設的登入提示記錄在/etc/issue檔案中，但每次啟動，一般都會由rc.local指令碼根據系統內容重建。 　　 　　 　　註：用於遠程登入的提示資訊位於/etc/issue.net中。 　　 　　login程式在getty的同一個進程空間中運行，接受getty傳來的使用者名稱參數作為登入的使用者名稱。 　　 　　如果使用者名稱不是root，且存在/etc/nologin檔案，login將輸出nologin檔案的內容，然後退出。這通常用來系統維護時防止非root使用者登入。 　　 　　只有/etc/securetty中登記了的終端才允許root使用者登入，如果不存在這個檔案，則root可以在任何終端上登入。/etc/usertty檔案用於對使用者作出附加訪問限制，如果不存在這個檔案，則沒有其他限制。 　　 　　當使用者登入通過了這些檢查後，login將搜尋/etc/passwd檔案（必要時搜尋 /etc/shadow檔案）用於匹配密碼、設定主目錄和載入shell。如果沒有指定主目錄，將預設為根目錄；如果沒有指定shell，將預設為/bin/sh。在將控制轉交給shell以前， getty將輸出/var/log/lastlog中記錄的上次登入系統的資訊，然後檢查使用者是否有新郵件（/usr/spool/mail/{username}）。在設定好shell的uid、gid，以及TERM，PATH 等環境變數以後，進程載入shell，login的任務也就完成了。 　　 　　八.bash 　　運行層級3下的使用者login以後，將啟動一個使用者指定的shell，以下以/bin/bash為例繼續我們的啟動過程。 　　 　　bash是Bourne Shell的GNU擴充，除了繼承了sh的所有特點以外，還增加了很多特性和功能。由login啟動的bash是作為一個登入shell啟動的，它繼承了getty設定的TERM、PATH等環境變數，其中PATH對於普通使用者為"/bin:/usr/bin:/usr/local/bin"，對於root 為"/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin"。作為登入shell，它將首先尋找/etc/profile 指令檔，並執行它；然後如果存在~/.bash_profile，則執行它，否則執行 ~/.bash_login，如果該檔案也不存在，則執行~/.profile檔案。然後bash將作為一個互動式shell執行~/.bashrc檔案（如果存在的話），很多系統中，~/.bashrc都將啟動 /etc/bashrc作為系統範圍內的設定檔。 　　 　　當顯示出命令列提示符的時候，整個啟動過程就結束了。此時的系統，運行著核心，運行著幾個核心線程，運行著init進程，運行著一批由rc啟動指令碼啟用的守護進程（如 inetd等），運行著一個bash作為使用者的命令直譯器。 　　 　　附：XDM方式登入 　　如果預設運行層級設為5，則系統中不光有1-6個getty監聽著文本終端，還有啟動了一個XDM的圖形登入視窗。登入過程和文本方式差不多，也需要提供使用者名稱和口令，XDM 的設定檔預設為/usr/X11R6/lib/X11/xdm/xdm-config檔案，其中指定了 /usr/X11R6/lib/X11/xdm/xsession作為XDM的會話描述指令碼。登入成功後，XDM將執行這個指令碼以運行一個會話管理器，比如gnome-session等。 　　 　　除了XDM以外，不同的視窗管理系統（如KDE和GNOME）都提供了一個XDM的替代品，如gdm和kdm，這些程式的功能和XDM都差不多。