CF卡上的Linux啓動過程分析
一個嵌入式linux操作系統可以簡單的抽象爲，引導程序bootloader、內核vmlinuz、文件系統filesystem。
Bootloader是系統加電後運行的第一段代碼，一般它只在啓動系統時非常短的時間按內運行。對於linux系統來說，這是至關重要的一步。在系統中，整個bootloader由系統中的bios和u盤中MBR（主引導扇區）的一段代碼來共同完成引導任務。這裏我們採用grub引導方式。系統先將BIOS檢測到的MBR內容讀取到RAM中，然後將系統控制權交給grub，最後由grub負責把要引導的操作系統的內核鏡像讀取到系統RAM中，然後跳轉到內核的入口點。
vmlinuz是Linux 內核的鏡像文件,可以被引導程序加載,從而啓動Linux系統。
initrd的全稱是boot loader initialized RAM disk，它是系統啓動時所使用的根文件系統映像文件，這個文件系統中包含幾個驅動模塊，都是系統啓動時所必須加載的，另外當我們需要加載其它的模塊時，也可以放在其中。
一、引導程序Grub
機器加電啓動後,BIOS開始檢測系統參數,如內存的大小,日期和時間,磁盤設備以及這些磁盤設備用來引導的順序,通常情況下，BIOS都是被配置成首先檢查軟驅或者光驅，然後再嘗試從硬盤引導。如果在這些可移動的設備中，沒有找到可引導的介質，那麼BIOS通常是轉向第一塊硬盤最初的幾個扇區，尋找用於裝載操作系統的指令。裝載操作系統的這個程序就是boot loader。
linux裏面的bootloader通常是lilo或者grub,從Red Hat Linux 7.2起，GRUB取代LILO成爲了默認的啓動裝載程序。那麼啓動的時候grub是如何被載入的呢？
grub有幾個重要的文件,stage1,stage2,有時候還需要stage1.5。這些文件
一般都在/boot/grub文件夾下面。grub被載入通常包括以下幾個步驟：
1、裝載基本的引導裝載程序(stage1)
stage1很小，只有512字節，
stage1通常位於主引導扇區裏面,它的主要功能就是裝載第二引導程序(stage2)。這主要是因爲在主引導扇區中沒有足夠的空間用於其它東西， grub中stage2文件的大小是103.9K。
2. 裝載第二引導裝載程序(stage2)
這第二引導裝載程序實際上是引出更高級的功能，以允許用戶裝載入一個特定的操作系統。在GRUB中，這步是讓用戶顯示一個菜單或是輸入命令。
上面還提到了stage1.5這個文件，它的作用是什麼呢？在/boot/grub目錄下可以看到有fat_stage_1.5 e2fs_stage_1.5 xfs_stage_1.5等等,很容易猜想stage1.5和文件系統有關係，有時候基本引導裝載程序(stage1)不能識別stage2所在的文件系統分區,那麼這時候就需要stage1.5來連接stage1和stage2了.因此對於不同的文件系統就會有不同的是stage1.5。但是對於我們做的grub好像stage1.5並不是很重要,因爲我試過了,在沒有stage1.5的情況下, 我把stage1安裝在格式化爲ext3的CF卡中，能夠正常引導,並不需要e2fs_stage_1.5或者fat_stage_1.5。
我們的具體做法是把整個CF卡格式化爲一個分區，文件系統爲ext3格式，然後把stage1、stage2、grub.conf這幾個啓動的時候必須的文件拷貝到CF卡的指定目錄下，然後進入grub使用一些命令將其安裝到CF卡上。
二、內核配置
Linux內核所控制的東西非常廣，從文件系統格式、程序開放、電源管理到用戶的安全性等一大堆的項目，甚至連網絡帶寬的分配都在其中，由此可知內核的重要性。但是針對我們現在做的系統，在內核配置中我們主要對下面這些選項感興趣
1、 Loadable module support 對模塊的支持，這裏面有三項： Enable loadable module support：除非你準備把所有需要的內容都編譯到內核裏面，否則該項應該是必選的。
Set version information on all module symbols：表示該模塊不跟內核一起發佈，通常不選。
Kernel module loader：該選項表示內核可以實現模塊加載的功能。Kernel程序可以在需要的時候自動調用模塊，而在不用該功能的時候自動卸載該模塊
2、Processor type and features
在它的下面，同樣有很多的選項，但我們只關心Processor family：根據我
們自己的情況選擇CPU類型。在我們的故障診斷儀上，經過試驗證明選擇386、486或586/K5/5x86/6x86/6x86MK都可以，但是選擇Pentium-3/Celeron或者Pentium-4不行。
3、General setup
這裏是對最普通的一些屬性進行設置。這部分內容非常多，一般使用缺省設置就可以了。但是必須選上，因爲裏面有PCI總線支持，電源管理模式等的支持。
4、Block devices
在它的選項下，我們一定要選的是： RAM disk support：。
（65536）default ramdisk size Initial ramdisk（initrd）support
因爲我們做的就是ram disk，所以我們必須把這些都選上，內核不支持的話在內核啓動完後是不能加載根文件系統的。其中的65536K是我們在內存中開闢的根文件系統空間。這裏就是64M，我們可以根據我們的需要進行調整。
5、Character devices
一些字符設備的支持，例如鼠標，虛擬終端的支持等，使用缺省的就可以了。 6、Filesystem
在這裏主要是要把ext3文件支持，/proc文件系統支持選上，一般默認即可。因爲我們在後面做出的文件系統鏡像是ext3格式的，所以內核必須對此文件格式支持。/proc文件系統是linux提供給用戶和系統進行交互的通道，也要選上。
另外second extended fs support是標準的linux文件系統，建議編譯進內核。其它的文件系統類型我們可以根據自己的愛好進行選擇。
7、Console drivers
因爲我們還沒有桌面系統，我們選擇的是VGA text console， 如果沒有選擇這項的話，開機運行到下載內核時就停止了。
另外對於IDE的支持，我們在不選的情況下系統是可以正常啓動和工作的。但是我們的系統只是工作在內存中，我們即使把要運行的程序放在其中，關機後什麼都沒有保留。所以我們要在系統啓動起來後重新把CF卡掛載到系統中，然後把程序運行的結果都保存在CF卡上，這樣即使關機CF卡上也已經保存了我們程序的運行結果。所以我們在系統中必須加上對IDE的支持。同理，假如我們的系統要支持USB設備時，我們應該在配置選項中選擇支持USB和SCSI。也就是添加上usb的驅動。這裏選擇SCSI的原因是隻有支持SCSI時在USB的配置選項中才會出現USB Mass storage support。
三、文件系統
我們的文件系統是通過busybox工具做出來的，busybox集成了linux常用的命令和工具。這些命令和工具我們都可以根據自己的情況進行選擇。另外我們還可以選擇是靜態編譯還是動態編譯。這些選擇都是通過配置界面進行的。它的配置界面和內核配置界面類似，配置方法也是一樣的。使用的命令也是make menuconfig。我們做的時候選擇了靜態編譯的方法，也就是我們在編譯程序的時候，需要在參數中指定爲靜態編譯。例如在編譯hello.c程序時我們的命令是
#gcc –o hello –static hello.c
如果我們不用-static，那麼我們在執行程序時就會出現錯誤。因爲我們的文件系統中沒有加上相應的庫。當然我們也可以選擇動態編譯，然後在文件系統中把相應的庫文件添加進去。
最終我們的文件系統是做成了ram disk鏡像的形式。也就是initrd.img。
四、linux啓動過程
BIOS在開機上電後尋找引導程序grub，然後grub引導加載內核，當grub加載內核時，內核會先在內存中製造出一個rootfs當作臨時的空間供系統使用，接着kernel便會把我們做出來的文件系統鏡像當作一個系統將其掛載到rootfs上激活。當系統鏡像被激活後，它會找到並執行其中的linuxrc程序，linuxrc會按照其中的腳本文件/etc/initab執行，一直到系統啓動完畢並出現shell命令行。
下面將對這幾個過程依次說明：
1、grub引導內核。
在我們前面製作grub時我們拷貝了一個grub.conf文件，它就是grub的配置文件，它的作用就是用來找到內核和根文件系統。它的內容如下：
timeout=10
title Red Hat Linux
root (hd0,0)
kernel /boot/bzImage
initrd /boot/initrd.img
timeout就是啓動時的延時時間，title是啓動畫面上出現的操作系統名稱。
root (hd0,0)
指示我們的系統在第一個硬盤的第一個分區上
kernel /boot/bzImage
指示我們的內核文件所在的目錄
initrd /boot/initrd.img
指示我們的文件系統鏡像所在的目錄
2、linuxrc程序的執行
在前面我們說過，linuxrc程序按照腳本文件/etc/initab依次執行，根據這個腳本文件，在我們自己的系統中，它會首先執行/etc/init.d/rcS程序，該程序的內容如下：
#！bin/sh /bin/mount –a
它的意思是加載/etc/fstab下的所有文件。/etc/fstab下的內容如下： proc
/proc proc defaults 0 0
這裏首先說下fstab文件格式 下面是/etc/fatab文件的一個示例行：
fs_spec fs_file fs_type fs_options fs_dump fs_pass
/dev/hda1 /usb ext3 defaults 0 0
簡單的說，第一項是我們要掛載的設備文件描述符，第二項是要掛載到哪個目錄下，第三項是我們設備的文件系統類型。後面三項對於我們來說一般是不變的。詳細的說明可以看下面的描述：
例如在開機啓動時，我們要將我們的CF卡自動掛載到系統中去，我們就在fstab文件中增加如上實例中的內容。
這樣我們的CF卡在開機啓動時就自動掛載到了系統中，但是自動運行我們自己的程序該怎麼辦呢？我們應該注意到在執行linuxrc程序時首先執行的是/etc/init.d/rcS中的內容，剛纔我們的掛載就是其中的一個小程序。所以我們完全可以在其中增加開機時我們需要執行的其它程序，比如說我們有一個可執行二進制文件hello，我們就可以在其中增加這個語句： ./usb/hello
其中usb是我們CF卡的掛載目錄，我們的二進制可執行程序hello就位於這個目錄。
到此爲止，我們的linux操作系統開機運行，自動加載CF卡，自動運行程序就完成了。