嵌入式Linux啓動流程分析

當Bootloader將控制權交給內核的引導程序時,第一個執行的程序就是head.S,它完成了加載內核的大部分工作;misc.c則提供加載內核所

    需要的子程序,其中解壓內核的子程序是head.S調用的重要程序,另外內核的加載還須知道系統的硬件信息,該硬件信息在hardware.h中定義並被

    head.S所引用。本系統中內核的啓動流程如圖1所示。

    

    本

    系統中,head.S首先配置S3C4510B的系統寄存器SYSCFG、初始化系統的Flash、SDRAM以及總線控制寄存器,將Flash和

    SDRAM的地址範圍分別設置爲0x0-0x1fffff和0x1000000-0x1ffffff;根據本系統的功能特點,重新定義了中斷優先級以及

    I/O口的配置;爲了提高內核的運行速度,將2M的內核映像文件從Flash拷貝到SDRAM;通過操作一些系統寄存器,進行系統的存儲器重映射,將

    Flash和SDRAM的地址區間分別重映射爲0x1000000-0x11fffff和0x0-0xffffff;然後初始化系統堆棧;接着調用

    misc.c中的函數decompress_kernel,對拷貝到SDRAM的內核映像文件進行解壓縮;最後跳轉到執行調用內核函數

    call_kernel,調用call_kernel函數實際上是執行main.c中的start_kernel函數,該函數完成的功能包括處理器結構的

    初始化、中斷的初始化、定時器的初始化、進程相關的初始化以及內存初始化等初始化工作;最後內核創建一個init線程,在該線程中調用init進程,完成

    系統的啓動

     當用戶打開PC的電源,BIOS開機自檢,按BIOS中設置的啓動設備(通常是硬盤)啓動,接着啓動設備上安裝的引導程序lilo或

    grub開始引導Linux,Linux首先進行內核的引導,接下來執行init程序,init程序調用了rc.sysinit和rc等程序,

    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啓動了mingetty後,打開了終端供用戶登錄系統,用戶登錄

    成功後進入了Shell,這樣就完成了從開機到登錄的整個啓動過程。

    -->power on-->BIOS-->Lilo/Grub-->Kernerl boot-->init(rc.sysinit, rc)

    -->mingetty(login)-->Shell---->

    下面就將逐一介紹其中幾個關鍵的部分:

      第一部分:內核的引導(核內引導)

      Red

    Hat9.0可以使用lilo或grub等引導程序開始引導Linux系統,當引導程序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啓動過程。這裏使用了幾個彙編程序來引導Linux,這一步泛及到Linux源代碼樹中

    的“arch/i386/boot”下的這幾個文件:bootsect.S、setup.S、video.S等。

      其中bootsect.S是生成引導扇區的彙編源碼,它完成加載動作後直接跳轉到setup.S的程序入口。setup.S的主要功能就是將系

    統參數(包括內存、磁盤等,由BIOS返回)拷貝到特別內存中,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

    代碼包含進來,檢測和設置顯示器和顯示模式。最後,setup.S將系統轉換到保護模式,並跳轉到 0x100000。

      那麼0x100000這個內存地址中存放的是什麼代碼?而這些代碼又是從何而來的呢?

      0x100000這個內存地址存放的是解壓後的內核,因爲Red

    Hat提供的內核包含了衆多驅動和功能而顯得比較大,所以在內核編譯中使用了“makebzImage”方式,從而生成壓縮過的內核,在RedHat中內

    核常常被命名爲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,將內核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本身的設置。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,系統創建第一個核心線程,啓動了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序的加載和初始化。並完成文件系統初始化和root文件系

    統的安裝。

      當do_basic_setup()函數返回init(),init()又打開了/dev/console設備,重定向三個標準的輸入輸出文件

    stdin、stdout和stderr到控制檯,最後,搜索文件系統中的init程序(或者由init=命令行參數指定的程序),並使用

    execve()系統調用加載執行init程序。到此init()函數結束,內核的引導部分也到此結束了,

    第二部分:運行init

      init的進程號是1,從這一點就能看出,init進程是系統所有進程的起點,Linux在完成核內引導以後,就開始運行init程序,。

    init程序需要讀取配置文件/etc/inittab。inittab是一個不可執行的文本文件,它有若干行指令所組成。在Redhat系統中,

    inittab的內容如下所示(以“###"開始的中註釋爲筆者增加的):

      #

      # inittab This file describes how the INIT process should set up

      # the system in a certain run-level.

      #

      # Author: Miquel van Smoorenburg,

      # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes

      #

      # Default runlevel. The runlevels used by RHS are:

      # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)

      # 1 - Single user mode

      # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)

      # 3 - Full multiuser mode

      # 4 - unused

      # 5 - X11

      # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)

      #

      ###表示當前缺省運行級別爲5(initdefault);

      id:5:initdefault:

      ###啓動時自動執行/etc/rc.d/rc.sysinit腳本(sysinit)

      # System initialization.

      si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

      l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0

      l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1

      l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2

      l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3

      l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4

      ###當運行級別爲5時,以5爲參數運行/etc/rc.d/rc腳本,init將等待其返回(wait)

      l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5

      l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6

      ###在啓動過程中允許按CTRL-ALT-DELETE重啓系統

      # Trap CTRL-ALT-DELETE

      ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now

      # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes

      # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now.

      # This does, of course, assume you have powerd installed and your

      # UPS connected and working correctly.

      pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"

      # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.

      pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"

      ###在2、3、4、5級別上以ttyX爲參數執行/sbin/mingetty程序,打開ttyX終端用於用戶登錄,

      ###如果進程退出則再次運行mingetty程序(respawn)

      # Run gettys in standard runlevels

      1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1

      2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2

      3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3

      4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4

      5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5

      6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6

      ###在5級別上運行xdm程序,提供xdm圖形方式登錄界面,並在退出時重新執行(respawn)

      # Run xdm in runlevel 5

      x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon

    以上面的inittab文件爲例,來說明一下inittab的格式。其中以#開始的行是註釋行,除了註釋行之外,每一行都有以下格式:

      id:runlevel:action:process

      對上面各項的詳細解釋如下:

      1. id

      id是指入口標識符,它是一個字符串,對於getty或mingetty等其他login程序項,要求id與tty的編號相同,否則getty程序將不能正常工作。

      2. runlevel

      runlevel是init所處於的運行級別的標識,一般使用0-6以及S或s。0、1、6運行級別被系統保留:其中0作爲shutdown動

    作,1作爲重啓至單用戶模式,6爲重啓;S和s意義相同,表示單用戶模式,且無需inittab文件,因此也不在inittab中出現,實際上,進入單用

    戶模式時,init直接在控制檯(/dev/console)上運行/sbin/sulogin。在一般的系統實現中,都使用了2、3、4、5幾個級別,

    在Redhat系統中,2表示無NFS支持的多用戶模式,3表示完全多用戶模式(也是最常用的級別),4保留給用戶自定義,5表示XDM圖形登錄方式。7

    -9級別也是可以使用的,傳統的Unix系統沒有定義這幾個級別。runlevel可以是並列的多個值,以匹配多個運行級別,對大多數action來說,

    僅當runlevel與當前運行級別匹配成功纔會執行。

      3. action

      action是描述其後的process的運行方式的。action可取的值包括:initdefault、sysinit、boot、bootwait等:

      initdefault是一個特殊的action值,用於標識缺省的啓動級別;當init由核心激活以後,它將讀取inittab中的

    initdefault項,取得其中的runlevel,並作爲當前的運行級別。如果沒有inittab文件,或者其中沒有initdefault項,

    init將在控制檯上請求輸入runlevel。

      sysinit、boot、bootwait等action將在系統啓動時無條件運行,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。

      4. process

      process爲具體的執行程序。程序後面可以帶參數。

      第三部分:系統初始化

      在init的配置文件中有這麼一行:

      si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

      它調用執行了/etc/rc.d/rc.sysinit,而rc.sysinit是一個bash

    shell的腳本,它主要是完成一些系統初始化的工作,rc.sysinit是每一個運行級別都要首先運行的重要腳本。它主要完成的工作有:激活交換分

    區,檢查磁盤,加載硬件模塊以及其它一些需要優先執行任務。

      rc.sysinit約有850多行,但是每個單一的功能還是比較簡單,而且帶有註釋,建議有興趣的用戶可以自行閱讀自己機器上的該文件,以瞭解系統初始化所詳細情況。由於此文件較長,所以不在本文中列出來,也不做具體的介紹。

      當rc.sysinit程序執行完畢後,將返回init繼續下一步。

    第四部分:啓動對應運行級別的守護進程

      在rc.sysinit執行後,將返回init繼續其它的動作,通常接下來會執行到/etc/rc.d/rc程序。以運行級別3爲例,init將執行配置文件inittab中的以下這行:

      l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5

      這一行表示以5爲參數運行/etc/rc.d/rc,/etc/rc.d/rc是一個Shell腳本,它接受5作爲參數,去執行

    /etc/rc.d/rc5.d/目錄下的所有的rc啓動腳本,/etc/rc.d/rc5.d/目錄中的這些啓動腳本實際上都是一些鏈接文件,而不是真

    正的rc啓動腳本,真正的rc啓動腳本實際上都是放在/etc/rc.d/init.d/目錄下。而這些rc啓動腳本有着類似的用法,它們一般能接受

    start、stop、restart、status等參數。

      /etc/rc.d/rc5.d/中的rc啓動腳本通常是K或S開頭的鏈接文件,對於以以S開頭的啓動腳本,將以start參數來運行。而如果

    發現存在相應的腳本也存在K打頭的鏈接,而且已經處於運行態了(以/var/lock/subsys/下的文件作爲標誌),則將首先以stop爲參數停止

    這些已經啓動了的守護進程,然後再重新運行。這樣做是爲了保證是當init改變運行級別時,所有相關的守護進程都將重啓。

      至於在每個運行級中將運行哪些守護進程,用戶可以通過chkconfig或setup中的"System Services"來自行設定。常見的守護進程有:

      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

      這些守護進程也啓動完成了,rc程序也就執行完了,然後又將返回init繼續下一步。

    第五部分:建立終端

      rc執行完畢後,返回init。這時基本系統環境已經設置好了,各種守護進程也已經啓動了。init接下來會打開6個終端,以便用戶登錄系統。通過按Alt+Fn(n對應1-6)可以在這6個終端中切換。在inittab中的以下6行就是定義了6個終端:

      1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1

      2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2

      3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3

      4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4

      5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5

      6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6

      從上面可以看出在2、3、4、5的運行級別中都將以respawn方式運行mingetty程序,mingetty程序能打開終端、設置模式。

    同時它會顯示一個文本登錄界面,這個界面就是我們經常看到的登錄界面,在這個登錄界面中會提示用戶輸入用戶名,而用戶輸入的用戶將作爲參數傳給login

    程序來驗證用戶的身份。

      第六部分:登錄系統,啓動完成

      對於運行級別爲5的圖形方式用戶來說,他們的登錄是通過一個圖形化的登錄界面。登錄成功後可以直接進入KDE、Gnome等窗口管理器。而本文主要講的還是文本方式登錄的情況:

      當我們看到mingetty的登錄界面時,我們就可以輸入用戶名和密碼來登錄系統了。

      Linux的賬號驗證程序是login,login會接收mingetty傳來的用戶名作爲用戶名參數。然後login會對用戶名進行分析:如

    果用戶名不是root,且存在/etc/nologin文件,login將輸出nologin文件的內容,然後退出。這通常用來系統維護時防止非root

    用戶登錄。只有/etc/securetty中登記了的終端才允許root用戶登錄,如果不存在這個文件,則root可以在任何終端上登錄。

    /etc/usertty文件用於對用戶作出附加訪問限制,如果不存在這個文件,則沒有其他限制。

      在分析完用戶名後,login將搜索/etc/passwd以及/etc/shadow來驗證密碼以及設置賬戶的其它信息,比如:主目錄是什麼、使用何種shell。如果沒有指定主目錄,將默認爲根目錄;如果沒有指定shell,將默認爲/bin/bash。

      login程序成功後,會向對應的終端在輸出最近一次登錄的信息(在/var/log/lastlog中有記錄),並檢查用戶是否有新郵件(在

    /usr/spool/mail/的對應用戶名目錄下)。然後開始設置各種環境變量:對於bash來說,系統首先尋找/etc/profile腳本文件,

    並執行它;然後如果用戶的主目錄中存在.bash_profile文件,就執行它,在這些文件中又可能調用了其它配置文件,所有的配置文件執行後後,各種

    環境變量也設好了,這時會出現大家熟悉的命令行提示符,到此整個啓動過程就結束了。

    

    

    

    

    本文來自ChinaUnix博客,如果查看原文請點:http://blog.chinaunix.net/u1/53103/showart_1011033.html


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