Linux 系統啓動過程詳解

以RedHat9.0和i386平臺爲例----

BIOS

第一步：PC在上電以後，CPU從地址FFFF:0000開始執行(這個地址在ROM BIOS中，ROM BIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中)，無論是Award BIOS還是AMI BIOS，這裏只是一條跳轉指令，跳到系統BIOS中真正的啓動代碼處。

第二步： BIOS的首先進行POST（Power－On Self Test，加電後自檢），檢測系統中一些關鍵設備是否存在和能否正常工作，例如內存和顯卡等設備。此時顯卡還沒有初始化，如果發現了一些致命錯誤，例如沒有找到內存或者內存有問題（此時只會檢查640K常規內存），BIOS會直接控制喇叭發聲來報告錯誤，聲音的長短和次數代表了錯誤的類型。

第三步：查找顯卡BIOS。存放顯卡BIOS的ROM芯片的起始地址通常設在C0000H處，找到後就調用它的初始化代碼初始化顯卡，此時多數顯卡都會在屏幕上顯示出一些初始化信息，介紹生產廠商、圖形芯片類型等內容。接着系統BIOS會查找其它設備的BIOS，初始化其他相關的設備。

第四步：查找完所有其它設備的BIOS之後，系統BIOS將顯示自己的啓動畫面，其中包括有系統BIOS的類型、序列號和版本號等內容。

第五步：接着系統BIOS將檢測和顯示CPU的類型和工作頻率，測試RAM，並顯示內存測試進度。

第六步：內存測試通過後， BIOS開始檢測一些標準硬件設備，包括硬盤、CD－ROM、串口、並口、軟驅等設備。

第七步：標準設備檢測完畢後，檢測和配置系統中安裝的即插即用設備，每次找到設備後， BIOS都會在屏幕上顯示出設備的名稱和型號等，同時爲設備分配中斷、DMA和I/O端口等資源。

第八步：到這一步硬件檢測配置完畢，多數BIOS會列出系統中安裝的硬件，以及它們使用的資源和一些相關參數。

第九步：接下來更新ESCD（Extended System Configuration Data，擴展系統配置數據，ESCD是系統BIOS用來與操作系統交換硬件配置信息的一種手段，這些數據被存放在CMOS之中）。

第十步： ESCD更新完畢後，系統BIOS的啓動代碼將進行它的最後一項工作，即根據用戶指定的啓動順序把第0道第0扇區讀入內存中07C0:0000(即07C00h處)，這是IBM系列PC的特性。

GRUB啓動

主引導扇區（MBR，Master Boot Record，大小爲512字節）是啓動設備（磁盤或者其他可引導設備，一般是第一個硬盤）的第一個扇區，並不一定只有硬盤纔有。計算器上電啓動時BIOS會把MBR加載到0x7C00處，然後把控制權交給它。

 

MBR組成（來自IBM官方網站）

由GRUB引導的系統，MBR的前446字節爲stage1.s。它的任務是將start.s拷貝到內存中，並跳轉執行。start.s位於第二個扇區（固定位置，此時還不能識別文件系統。在MBR和第一個分區之間有62個扇區--摺合32k的保留空間，足夠GRUB用—GRUB內核壓縮後24k左右），任務是加載stage1.5，只有加載了stage1.5才能識別文件系統。stage1.5位於第三個扇區開始到約10k的位置上，此時可以識別boot目錄所在的文件系統（如果boot位於/的話需識別根文件系統），找到stage2（stage2和其他的stage1.5位於/boot分區）並加載。stage2實現了一個mini OS，它採用了類似SHELL的方式來解釋並運行用戶設計好的腳本（/boot/grub.conf）或者接受用戶輸入的指令，可以靈活地引導不同的操作系統。

 

Grub中預先設置的指令是在builtins.c文件中實現的。典型的GRUB如下所示：

title Red Hat Enterprise Linux AS-up (2.6.9-11.EL)

    root (hd0,2)

    kernel /boot/vmlinuz-2.6.9-11.EL ro root=LABEL=/ rhgb quiet

    initrd /boot/initrd-2.6.9-11.EL.img

title Other

    rootnoverify (hd0,1)

    chainloader +1

如果boot是單獨分區的，則如下所示：

title Fedora (2.6.24.3-50.fc8)

         root (hd0,8)

         kernel /vmlinuz-2.6.24.3-50.fc8 ro root=LABEL=/ rhgb quiet

         initrd /initrd-2.6.24.3-50.fc8.img

# title Fedora (2.6.24.3-34.fc8)

 

Root指令

指定grub的root（不是linux的OS），調用root指令的函數是builtins.c中的root_func (char *arg, int flags)。第一個參數指定了磁盤驅動器，如hd0是指第一塊硬盤，第二個參數是分區號。root_func()中調用real_root_func (char *arg, int attempt_mount)，並把參數arg傳給real_root_func。如果傳入的arg爲空，則直接使用默認驅動器。然後調用set_device()，從字符串中提取出驅動器和分區號。

 

kernel指令

調用kernel指令的函數是builtins.c文件中kernel_func (char *arg, int flags)。首先解析傳進來的參數：如果有“--type=TYPE”，根據傳入的參數設置suggested_type變量，然後把內核的文件路徑賦值給mb_cmdline變量，然後通過load_image()函數載入核心，並且返回核心的類型。如果返回的核心類型是grub不支持得類型，即kernel_type == KERNEL_TYPE_NONE返回1，成功則返回0。root=LABEL=/ 的意思是使用標籤爲/的分區作爲root分區。

 

Initrd指令

調用kernel指令的函數是builtins.c文件中initrd_func (char *arg, int flags)，用於指定initrd（initial RAM disk）文件。initrd是在系統引導過程中掛載的一個臨時根文件系統，與內核綁定在一起，並作爲內核引導過程的一部分進行加載。initrd文件中包含了各種可執行程序和驅動程序，它可以用來掛載實際的根文件系統，然後再將這個 initrd RAM 卸載，並釋放內存。在很多嵌入式Linux 系統中，initrd 就是最終的根文件系統。

 

Rootnoverify指令

設置GRUB的主設備指向一個扇區。

 

chainloader

'+1'表明GRUB需要從起始分區讀一個扇區（即引導記錄）。

 

boot指令

調用boot指令的函數是在builtins.c文件中的boot_func (char *arg, int flags)函數。如果核心類型已知，則調用unset_int15_handler()函數，接着根據grub操作系統調用相應的啓動程序。如果啓動的內核爲BSD則調用bsd_boot ()函數；如果啓動的內核爲LINUX則調用linux_boot()函數，如果鏈式啓動，則調用chain_stage1()函數；如果多重啓動則調用multi_boot()函數。

 

注：有的MBR（非GRUB，如BSD）先把自己複製到0x0600處（爲什麼0x0600呢？按照dos的傳統：0x0 - 0x3ff 用於中斷向量表；0x400 - 0x4ff 用於 bios數據區；0x500 用於BIOS Print Screen；  0x501-0x5ff 可能用於不同版本的MS-DOS），然後在磁盤中找到活動分區。如果活動分區存在則將這個分區的第一個扇區（bootsect）加載到0x7C00處，並將控制權交給它（bootsect一般是在某一個分區裏，而MBR是磁盤或者其他可引導設備的第一個扇區，這個就是所謂的區別）。

Linux操作系統引導

接上文，linux_boot最終將跳轉到linux的入口代碼bootsect.S（位於“arch/i386/boot”），開始初始化過程。bootsect.S 主要做以下工作：

1.      把自己從0x7c00拷貝到0x9000：0，共512Bytes。（爲什麼拷貝呢？後面setup.S會把內核拷貝到0x10000-64k，加上最初假設內核小於512k，所以最小的可用地址爲0x90000。這裏的0x9000：0爲地址0x90000，以後雷同）

2.      在RAM中創建新的磁盤參數表（最大扇區數36，ED2.88驅動器支持的最大值），重新啓動磁盤控制器，使磁盤參數設置生效

3.      把setup從第2扇區開始的4個扇區拷貝到0x9020：0（bootsect.S、setup.S在磁盤上連續存放）

4.      從BIOS獲得磁盤扇區數（如果沒有則36，18，15，9 依次測試），接下來讀取光標的位置，並打印"Loading"信息

5.      把真正的內核映像（system）從磁盤讀到內存0x1000：0處（後面setup.S會把內核搬到0x0。爲什麼不直接讀呢？因爲物理地址0開始存放着BIOS中斷向量表，Setup.S還需要使用BIOS中斷來獲取PC硬件系統的信息。此處調用的函數爲：read_it，實際讀取的大小爲0x7F00*16=508k<512k。如果是bzImage大內核，則直接拷貝到0x100000處）。

6.      最後,跳到0x9020：0（setup.S）處執行

 

setup.S利用BIOS中斷讀取機器配置（同時調用video.S檢測顯示器和顯示模式），並保存到0x9000：0（覆蓋掉bootsect.S），供內核程序使用，參數和內存位置如下表：

內存地址  長度（字節）        名稱           描述

0x90000    2                  光標位置       列號，行號

0x90002    2                  擴展內存數     系統從1M開始的擴展內存數量

0x90004    2                  顯示頁面       當前顯示頁面

0x90006    1                  顯示模式

0x90007    1                  字符列數

0x90008    2                 

0x9000A     1                  顯示內存       0x0-64K,0x1-128K,0x02-192K,0x03=256K

0x9000B    1                  顯示狀態       彩色還是單色

0x9000C    2                  特性參數       顯卡特性參數

……

0x90080    16                 硬盤參數表   第一個硬盤參數表

0x90090    16                 硬盤參數表   第二個硬盤參數表（如果沒有，清零）

 

然後內核禁止中斷，將自己（小於512k）從0x1000移至0x0處，設置gdt和idt，開啓A20地址線（使能1M以上內存）、重新設置兩個中斷控制芯片8259A，最後設置CPU的控制寄存器CR0，進入32位保護模式，並跳轉到0x1000即arch/i386/boot/compressed/head.S中的startup_32()（對bzImage是 0x100000）。

 

head.S

然後調用decompress_kernel()解壓內核映像，首先顯示"Uncompressing Linux..."，解壓完後顯示 "OK, booting the kernel."。內核解壓後的映像被放置到0x100000（arch/i386/kernel/head.S 文件中的startup_32()，因爲通過物理地址跳轉，相同的函數名沒有問題）。

Setup.S結束後內存佈局

 

函數startup_32()爲linux的入口，它爲Linux第一個進程設定環境，IDT、GDT和LDT被裝入，處理器初始化完畢，初始化內存頁表，進入分頁方式，最終調用start_kernel()。

 

start_kernel()

在"init/main.c"中定義，是系統第一個C語言函數。它調用一系列初始化函數，以完成kernel環境的設置。在函數最後，調用 init()函數，創建第一個進程。

　   1) 調度器初始化，調用sched_init()；

　　2) 調用build_all_zonelists函數初始化內存區；

　　3) 調用page_alloc_init()和mem_init()初始化夥伴系統分配器；

　　4) 調用trap_init()和init_IRQ()對中斷控制表IDT進行最後的初始化；

　　5) 調用softirq_init() 初始化TASKLET_SOFTIRQ和HI_SOFTIRQ；

　　6) 調用Time_init()對系統日期和時間進行初始化；

　　7) 調用kmem_cache_init()初始化slab分配器；

　　8) 調用calibrate_delay()計算CPU時鐘頻率；

　　9) 調用rest_init() -> kernel_thread(kernel_init…)啓動 init 內核線程(以前的版本爲init)。Kernel_thread設置入口地址和段寄存器後，調用do_fork獲取task_struct 和pid，創建內核線程（沒有用戶棧空間，其pid爲1）。(內核從2.6.22開始，rest_init()除了創建線程kernel_init以外，還創建kthreadd線程－pid爲2。根據以前的說法 init 進程1是除進程0以外的所有進程的父進程，因爲除了進程0外，其他進程都是init進程或其子進程不斷fork出來的。當一個進程的父進程結束時，這個進程變成孤兒進程，孤兒進程的父進程也是init進程。2.6.22 及以後，很多內核線程由kthreadd線程create_kthread出來，所以’ps –ef’顯示的父進程PID爲2。)

 

kernel_init() 主要做以下三部分工作：

do_pre_smp_initcalls(); //調用__initcall_start到__early_initcall_end函數

do_basic_setup();

driver_init();   //device, bus, class, firmware, hypervisor, platform_bus,

//system_bus, cpu/memory

init_irq_proc();//

do_initcalls()            //調用從__early_initcall_end到__initcall_end的函數

init_post() -> run_init_process("/sbin/init"); //調用kernel_execve啓動系統調用，從而切換成init用戶進程，因爲直接切換所以不會回來繼續執行。

 

內核中與initcall有關的代碼如下（include/linux/init.h）：

#define __define_initcall(level,fn,id) \

         static initcall_t __initcall_##fn##id __used \

         __attribute__((__section__(".initcall" level ".init"))) = fn

 

/* Early initcalls run before initializing SMP. Only for built-in code, not modules. */

#define early_initcall(fn)                 __define_initcall("early",fn,early)

 

/* A "pure" initcall has no dependencies on anything else, and purely initializes variables that couldn't be statically initialized. This only exists for built-in code, not for modules. */

#define pure_initcall(fn)                  __define_initcall("0",fn,0)

 

#define core_initcall(fn)                  __define_initcall("1",fn,1)

#define core_initcall_sync(fn)                __define_initcall("1s",fn,1s)

#define postcore_initcall(fn)          __define_initcall("2",fn,2)

#define postcore_initcall_sync(fn)        __define_initcall("2s",fn,2s)

#define arch_initcall(fn)         __define_initcall("3",fn,3)

#define arch_initcall_sync(fn)                 __define_initcall("3s",fn,3s)

#define subsys_initcall(fn)              __define_initcall("4",fn,4)

#define subsys_initcall_sync(fn)    __define_initcall("4s",fn,4s)

#define fs_initcall(fn)                       __define_initcall("5",fn,5)

#define fs_initcall_sync(fn)             __define_initcall("5s",fn,5s)

#define rootfs_initcall(fn)               __define_initcall("rootfs",fn,rootfs)

#define device_initcall(fn)              __define_initcall("6",fn,6)

#define device_initcall_sync(fn)    __define_initcall("6s",fn,6s)

#define late_initcall(fn)          __define_initcall("7",fn,7)

#define late_initcall_sync(fn)                  __define_initcall("7s",fn,7s)

 

#define __initcall(fn) device_initcall(fn)

 

注：普通驅動程序若編入內核(不以模塊方式插入)，則：

include/linux/init.h:

#define module_init(x) __initcall(x);

#define __initcall(fn) device_initcall(fn)

因此driver的入口函數都放在.initcall6.init段中。

 

Initcall中有衆多的函數，有不少與驅動程序關係非常密切的，這些以後用到的時候再說。這裏說一下rootfs_initcall。先看源碼start_kernel() -> mnt_init():

void __init mnt_init(void)

{

……

init_rootfs();                     //註冊rootfs文件系統

init_mount_tree();  // 掛載rootfs文件系統，掛載點默認爲“/”。

……

}

到此rootft文件系統已經註冊，後面的rootfs_initcall會填充其內容。搜索內核（2.6.31）有以下兩行：

Initramfs.c (init):rootfs_initcall(populate_rootfs);

Noinitramfs.c (init):rootfs_initcall(default_rootfs);

根據內核是否支持 initrd（init/Makefile中CONFIG_BLK_DEV_RAM決定了是否支持initrd），如果不支持，則default_rootfs；如果支持則populate_rootfs。

default_rootfs：在prepare_namespace（）中調用mount_root掛載真實的文件系統，最後在init_post()中通過kernel_execve執行根文件系統中的 /sbin/init。

populate_rootfs：如果是cpio格式的initrd（壓縮過的），則調用unpack_to_rootfs直接解壓到之前mount的根目錄上（這裏兩種情況：根內核編譯在一起的initrd和bootloader加載的initrd。前者位於.init.ramfs段中，全局變量__initramfs_start和__initramfs_end分別指向這個數據段的起始地址和結束地址；後者由bootloader把起始地址和結束地址傳遞給內核，全局變量initrd_start和initrd_end分別指向其起始地址和結束地址）。如果是bootloader加載的老式塊設備格式，則將initrd_start和initrd_end之間的數據拷貝到/initrd.image。後面的prepare_namespace()將會創建設備/dev/ram並加載image，然後把/dev/ram掛載到/root。若是cpio格式的，在init_post()中調用/init，啓動udevd加載必要的設備驅動程序，掛載真正的根文件系統，最後執行真正的根文件系統上的initrd，啓動過程就順利的交接；若是老式塊設備格式，執行裏面的linuxrc掛載真實的文件系統，然後切換到新的根文件系統。

 

Initrd裏面的/init腳本實際執行了以下過程：

1）加載proc, sysfs等文件系統

2）創建設備節點

3）加載必需的設備驅動

4）以只讀方式掛載實際根文件系統（這是根文件系統的第一次掛載）

5）切換根目錄並執行的/sbin/init (switchroot）

 

注：RAM disk是將內存中的一塊區域作爲物理磁盤來使用的一種技術，對於用戶來說， RAM disk等同於通常的硬盤分區（如/dev/hda1）。initrd（init RAM Disk）則是一個包含了被壓縮過的小型根目錄的RAM disk，它含有Linux啓動所必須的目錄、驅動程序、可執行文件和啓動腳本（如init，bin，insmod等）。initrd在實際根文件系統可用之前被掛載到系統中，initrd可使用loop設備來創建。

Sys V init初始化階段

/sbin/init進程是所有進程的父進程，它主要做以下工作：

1）確定啓動後的運行級別(id:5:initdefault:)

2）執行系統初始化腳本(si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit)，以下爲其主要工作：

腳本	作用
/etc/sysconfig/network	設置主機名稱及網絡
Mount /proc, /proc/bus/usb, /sys	Fsck works
/etc/init.d/functions	設置環境變量如umask、PATH等，其間會調用/etc/sysconfig/init
selinux	有關SELinux的設置
/sbin/setsysfont	設置字體
顯示歡迎畫面（Welcome to $/etc/redhat-release）
/bin/dmesg	這裏不是要顯示系統信息，而是在設置系統紀錄的等級高低，在此以剛剛提到的functions文件設置環境變量時的LOGLEVEL變量爲基準
/sbin/start_udev	加載的相關模塊
/proc/sys/kernel/modprobe	設置內核參數modprobe, hotplug
echo -n $"Initializing hardware... "
kmodule | while read devtype mod ; do modprobe $mod	加載設備驅動，IDE，SCSI，NETWORK，AUDIO等
load_module floppy	軟盤
/etc/sysconfig/network-scripts	load_module $DEVICE, network
Load_module audio	音頻
sysctl -e -p /etc/sysctl.conf	配置內核參數，
/etc/sysconfig/clock	設置系統時間種類，如UTC
/sbin/hwclock	設置系統時間
/etc/sysconfig/keyboard	鍵盤
Insmod kernel/drivers/acpi/*	激活ACPI功能
cat /fsckoptions	檢查文件是否存在，決定後面是否要調用fsck檢查硬盤扇區
awk '/ \/ / && ($3 !~ /rootfs/) { print $3 }' /proc/mounts	查找FOOTFSTYPE和rootdev，mount文件系統（出於安全的原因，使用ro參數），並unmount。文件系統在initcall的時候已經通過register_filesystem註冊了。
/sbin/quotacheck	disk quota的檢查
mount -n -o remount,rw /	重新掛載根文件系統，讀寫模式
/sbin/vgchange	LVM initialization
mount -f / mount -f /proc mount -f /sys mount -f /dev/pts mount -f -t usbfs usbfs /proc/bus/usb mount -f -t devfs devfs /dev	Clear mtab後， 根據fstab重新掛載文件系統（已經掛載的文件系統寫入mtab）
/sbin/quotaon	local filesystem quotas
/usr/bin/rhgb	通過這個程序將圖形開機畫面的背景加載，這時纔會有圖形化的系統開機畫面及開機程序的計時bar呈現在用戶面前
swapon -a -e	Start up swapping
/etc/sysconfig/harddisk	Turn on harddisk optimization
/usr/bin/rhgb-client	告知系統要離開rc.sysinit，轉回inittab

 

3) 以運行級別X爲參數執行/etc/rc.d/rc腳本，該文件停止所有/etc/rc.d/rcX.d中K開頭的服務（守護進程），並啓動S開頭的服務：

　　amd：自動安裝NFS守護進程

　　apmd:高級電源管理守護進程

　　arpwatch：記錄日誌並構建一個在LAN接口上看到的以太網地址和IP地址對數據庫

　　autofs：自動安裝管理進程automount，與NFS相關，依賴於NIS

　　crond：Linux下的計劃任務的守護進程

　　named：DNS服務器

　　netfs：安裝NFS、Samba和NetWare網絡文件系統

　　network：激活已配置網絡接口的腳本程序

　　nfs：打開NFS服務

　　portmap：RPC portmap管理器，它管理基於RPC服務的連接

　　sendmail：郵件服務器sendmail

　　smb：Samba文件共享/打印服務

　　syslog：一個讓系統引導時起動syslog和klogd系統日誌守候進程的腳本

　　xfs：X Window字型服務器，爲本地和遠程X服務器提供字型集

　　Xinetd：支持多種網絡服務的核心守護進程，可以管理wuftp、sshd、telnet等服務

4) 啓動虛擬終端/sbin/mingetty

5) 如果運行級別爲5，啓動X11

這時呈現給用戶的就是最終的登錄界面。