Mr. Process的一生－Linux核心的社會視角 (2)啟動

文章目錄

• BIOS完成下面的功能：
• Bootloader的工作
• Setup()的工作
• start_kernel()的工作

 原文地址：

http://www.manio.org/cn/startup-of-linux-view-of-society.html

其實這才應該是這一系列文章的第一節，因為這篇文章講的是Apsara Distributed File System開天地的事。話說Mr. Process是一個現代人，但是，只要是人，總該有個祖先。人們總想知道自己從哪來，然後才可以估摸算一下自己將去向何方。所以咱也要瞭解一下Linux的世界裡人類的起源。

圖1：從上電到BIOS

按下電源開關的那個真實的人就是Linux世界裡的上帝，他創造了Linux世界的一切。當他按下機箱上的電源開關時，主板開始供電，CPU上的Reset Pin被拉高，這會引起CPU的一系列動作，這些動作是晶片設計時就決定的。CPU中的一些寄存器被置為固定的值，因為這些寄存器可能在啟動的過程中要使用，比如CS（程式碼片段寄存器）和EIP（指標指令寄存器）。這一步完成之後，CPU就可開執行地址為0xfffffff0裡的ROM中的程式。這段程式就是BIOS(Basic Input Output System)。

BIOS完成下面的功能：

1.POST（Power-On Self Test）：顧名思名，就是查查有什麼裝置，這些裝置是不是正常。要是CPU有Advanced Configuration and Power Interface(ACPI )的支援，也在這個時候進行。ACPI是用來對電源進行管理的，用來節電之類的。

2.初始化裝置：確保沒有IRQ和IO衝突。

3.尋找OS/Bootloader。這一步後面點再細說

我們在BIOS的設定菜單裡能夠設定從何處啟動，比如磁碟片，硬碟，光碟機…BIOS會按我們設定的順序搜尋OS。

4.把Bootloader複製到RAM裡（地址為0x00007c00），然後那個地址開始執行。

什麼是Bootloader？

現在，我們只要關心的是：bootloader會找到OS，把OS核心COPY到RAM中。

圖2：boot loader的載入

如所示，在硬碟的第一個sector，有一個分區表（記錄了哪些分區上有作業系統）和一個小版的Bootloader。當這個BIOS被設定為從這裡啟動時，這個小版的bootloader被複製到RAM的0x00007c00。然後它會把自己又移動到0x00096a00。在這之後，它再把另一段Bootloader從硬碟上複製到0x00096c00，然後從那裡開始執行。分作兩段的原因是因為現在的bootloader太大了，在MBR上存不完那麼多。

Bootloader會把OS的核心映像複製到RAM中。

Bootloader的工作

1. 調用BIOS以顯示“Loading Image”的訊息。

2. 調用BIOS，把核心映像的前512位元組複製到0×00090000，setup()函數在0×00090200。

3. 調用BIOS，把剩下的核心映像載入到0×00010000（小核心zImage）或0×00100000（大核心bzImage）

4. 跳到setup()開始執行。

Setup()的工作

setup()用來初始化裝置。雖然BIOS已經做了一些初始化的工作，但是Linux關不依賴於他。setup()會初始化鍵盤，FPU等裝置，並設定一些寄存器。在Setup()的最後，會調用startup_32()。

startup_32()

Linux裡有兩個startup_32()。

首先會執行的是arch/i386/boot/compressed/head.S裡的那個。這個startup_32()的作用主要是解壓核心。

第二個startup_32()是在arch/i386/kernel/head.S的。這個startup_32()的工作就是為Linux的第一個進程（就是Mr. Process的祖先）設定生存環境。最後跳到start_kernel()中去。

在Understanding the Linux Kernel 3rd 中的描述如下

1. Initializes the segmentation registers with their final values.
2. Fills the bss segment of the kernel (see the section “Program Segments and Process Memory Regions” in Chapter 20) with zeros.
3. Initializes the provisional kernel Page Tables contained in swapper_pg_dir and pg0 to identically map the linear addresses to the same physical addresses, as explained in the section “Kernel Page Tables” in Chapter 2.
4. Stores the address of the Page Global Directory in the cr3 register, and enables paging by setting the PG bit in the cr0 register.
5. Sets up the Kernel Mode stack for process 0 (see the section “Kernel Threads” in Chapter 3).
6. Once again, the function clears all bits in the eflags register.
7. Invokes setup_idt( ) to fill the IDT with null interrupt handlers (see the section “Preliminary Initialization of the IDT” in Chapter 4).
8. Puts the system parameters obtained from the BIOS and the parameters passed to the operating system into the first page frame (see the section “Physical Memory Layout” in Chapter 2).
9. Identifies the model of the processor.

10.  Loads the gdtr and idtr registers with the addresses of the GDT and IDT tables.

11.  Jumps to the start_kernel( ) function.

start_kernel()的工作

完成所有組件的初始化工作。

Understanding the Linux Kernel對這一段工作的描述如下：

¨    The scheduler is initialized by invoking the sched_init( ) function (see Chapter 7).

¨    The memory zones are initialized by invoking the build_all_zonelists( ) function (see the section “Memory Zones” in Chapter 8).

¨    The Buddy system allocators are initialized by invoking the page_alloc_init( ) and mem_init( ) functions (see the section “The Buddy System Algorithm” in Chapter 8).

¨    The final initialization of the IDT is performed by invoking trap_init( ) (see the section “Exception Handling” in Chapter 4) and init_IRQ( ) (see the section “IRQ data structures” in Chapter 4).

¨    The TASKLET_SOFTIRQ and HI_SOFTIRQ are initialized by invoking the softirq_init( ) function (see the section “Softirqs” in Chapter 4).

¨    The system date and time are initialized by the time_init( ) function (see the section “The Linux Timekeeping Architecture” in Chapter 6).

¨    The slab allocator is initialized by the kmem_cache_init( ) function (see the section “General and Specific Caches” in Chapter 8).

¨    The speed of the CPU clock is determined by invoking the calibrate_delay( ) function (see the section “Delay Functions” in Chapter 6).

¨    The kernel thread for process 1 is created by invoking the kernel_thread( ) function. In turn, this kernel thread creates the other kernel threads and executes the /sbin/init program, as described in the section “Kernel Threads” in Chapter 3.

以上幾個函數的執行過程如：

圖3：啟動函數的執行過程

第二個startup_32()和start_kernel()揭示了Linux一生的真諦。從這裡面咱看到了Mr. Process（一個普通的進程）所擁有的一切是怎麼得到的。弄清楚了這些，也就弄清楚了Linux。Really清楚。

BTW，我做的圖怎麼那麼好看~美感天生在那裡，你擋都擋不住，怎麼搞怎麼好看加專業！