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Linux启动过程综述

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本文以Redhat 6.0 Linux 2.2.19 for Alpha/AXP为平台,描述了从开机到登录的 Linux 启动全过程。该文对i386平台同样适用。

Bootloader

在Alpha/AXP平台上引导Linux通常有两种方法,一种是由MILO及其他类似的引导程序引 导,另一种是由Firmware直接引导。MILO功能与i386平台的LILO相近,但内置有基本的磁盘 驱动程序(如IDE、SCSI等),以及常见的文件系统驱动程序(如ext2,iso9660等), firmware有ARC、SRM两种形式,ARC具有类BIOS界面,甚至还有多重引导的设置;而SRM则具 有功能强大的命令行界面,用户可以在控制台上使用boot等命令引导系统。ARC有分区 (Partition)的概念,因此可以访问到分区的首扇区;而SRM只能将控制转给磁盘的首扇区。 两种firmware都可以通过引导MILO来引导Linux,也可以直接引导Linux的引导代码。

“arch/alpha/boot”下就是制作Linux Bootloader的文件。“head.S”文件提供了对 OSF PAL/1的调用入口,它将被编译后置于引导扇区(ARC的分区首扇区或SRM的磁盘0扇区), 得到控制后初始化一些数据结构,再将控制转给“main.c”中的start_kernel(), start_kernel()向控制台输出一些提示,调用pal_init()初始化PAL代码,调用openboot() 打开引导设备(通过读取Firmware环境),调用load()将核心代码加载到START_ADDR(见 “include/asm-alpha/system.h”),再将Firmware中的核心引导参数加载到ZERO_PAGE(0) 中,最后调用runkernel()将控制转给0x100000的kernel,bootloader部分结束。

Bootloader中使用的所有“srm_”函数在“arch/alpha/lib/”中定义。

以上这种Boot方式是一种最简单的方式,即不需其他工具就能引导Kernel,前提是按照 Makefile的指导,生成bootimage文件,内含以上提到的bootloader以及vmlinux,然后将 bootimage写入自磁盘引导扇区始的位置中。

当采用MILO这样的引导程序来引导Linux时,不需要上面所说的Bootloader,而只需要 vmlinux或vmlinux.gz,引导程序会主动解压加载内核到0x1000(小内核)或0x100000(大 内核),并直接进入内核引导部分,即本文的第二节。

对于I386平台
i386系统中一般都有BIOS做最初的引导工作,那就是将四个主分区表中的第一个可引导 分区的第一个扇区加载到实模式地址0x7c00上,然后将控制转交给它。
在“arch/i386/boot”目录下,bootsect.S是生成引导扇区的汇编源码,它首先将自己 拷贝到0x90000上,然后将紧接其后的setup部分(第二扇区)拷贝到0x90200,将真正的内核 代码拷贝到0x100000。以上这些拷贝动作都是以bootsect.S、setup.S以及vmlinux在磁盘上 连续存放为前提的,也就是说,我们的bzImage文件或者zImage文件是按照bootsect,setup, vmlinux这样的顺序组织,并存放于始于引导分区的首扇区的连续磁盘扇区之中。
bootsect.S完成加载动作后,就直接跳转到0x90200,这里正是setup.S的程序入口。 setup.S的主要功能就是将系统参数(包括内存、磁盘等,由BIOS返回)拷贝到 0x90000-0x901FF内存中,这个地方正是bootsect.S存放的地方,这时它将被系统参数覆盖。 以后这些参数将由保护模式下的代码来读取。
除此之外,setup.S还将video.S中的代码包含进来,检测和设置显示器和显示模式。最 后,setup.S将系统转换到保护模式,并跳转到0x100000(对于bzImage格式的大内核是 0x100000,对于zImage格式的是0x1000)的内核引导代码,Bootloader过程结束。
对于2.4.x版内核
没有什么变化。

 




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Kernel引导入口

 

对于I386平台
在i386体系结构中,因为i386本身的问题,在"arch/alpha/kernel/head.S"中需要更多的设置,但最终也是通过call SYMBOL_NAME(start_kernel)转到start_kernel()这个体系结构无关的函数中去执行了。
所不同的是,在i386系统中,当内核以bzImage的形式压缩,即大内核方式 (__BIG_KERNEL__)压缩时就需要预先处理bootsect.S和setup.S,按照大核模式使用$(CPP) 处理生成bbootsect.S和bsetup.S,然后再编译生成相应的.o文件,并使用 "arch/i386/boot/compressed/build.c"生成的build工具,将实际的内核(未压缩的,含 kernel中的head.S代码)与"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引导执行 (startup_32入口),然后它调用misc.c中定义的decompress_kernel()函数,使用 "lib/inflate.c"中定义的gunzip()将内核解压到0x100000,再转到其上执行 "arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32代码。
对于2.4.x版内核
没有变化。

 




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核心数据结构初始化--内核引导第一部分

 

start_kernel()中调用了一系列初始化函数,以完成kernel本身的设置。 这些动作有的是公共的,有的则是需要配置的才会执行的。

在start_kernel()函数中,

 

  • 输出Linux版本信息(printk(linux_banner))
  • 设置与体系结构相关的环境(setup_arch())
  • 页表结构初始化(paging_init())
  • 使用"arch/alpha/kernel/entry.S"中的入口点设置系统自陷入口(trap_init())
  • 使用alpha_mv结构和entry.S入口初始化系统IRQ(init_IRQ())
  • 核心进程调度器初始化(包括初始化几个缺省的Bottom-half,sched_init())
  • 时间、定时器初始化(包括读取CMOS时钟、估测主频、初始化定时器中断等,time_init())
  • 提取并分析核心启动参数(从环境变量中读取参数,设置相应标志位等待处理,(parse_options())
  • 控制台初始化(为输出信息而先于PCI初始化,console_init())
  • 剖析器数据结构初始化(prof_buffer和prof_len变量)
  • 核心Cache初始化(描述Cache信息的Cache,kmem_cache_init())
  • 延迟校准(获得时钟jiffies与CPU主频ticks的延迟,calibrate_delay())
  • 内存初始化(设置内存上下界和页表项初始值,mem_init())
  • 创建和设置内部及通用cache("slab_cache",kmem_cache_sizes_init())
  • 创建uid taskcount SLAB cache("uid_cache",uidcache_init())
  • 创建文件cache("files_cache",filescache_init())
  • 创建目录cache("dentry_cache",dcache_init())
  • 创建与虚存相关的cache("vm_area_struct","mm_struct",vma_init())
  • 块设备读写缓冲区初始化(同时创建"buffer_head"cache用户加速访问,buffer_init())
  • 创建页cache(内存页hash表初始化,page_cache_init())
  • 创建信号队列cache("signal_queue",signals_init())
  • 初始化内存inode表(inode_init())
  • 创建内存文件描述符表("filp_cache",file_table_init())
  • 检查体系结构漏洞(对于alpha,此函数为空,check_bugs())
  • SMP机器其余CPU(除当前引导CPU)初始化(对于没有配置SMP的内核,此函数为空,smp_init())
  • 启动init过程(创建第一个核心线程,调用init()函数,原执行序列调用cpu_idle() 等待调度,init())

至此start_kernel()结束,基本的核心环境已经建立起来了。

对于I386平台
i386平台上的内核启动过程与此基本相同,所不同的主要是实现方式。
对于2.4.x版内核
2.4.x中变化比较大,但基本过程没变,变动的是各个数据结构的具体实现,比如Cache。

 




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外设初始化--内核引导第二部分

init()函数作为核心线程,首先锁定内核(仅对SMP机器有效),然后调用 do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化。过程如下:

 

  • 总线初始化(比如pci_init())
  • 网络初始化(初始化网络数据结构,包括sk_init()、skb_init()和proto_init()三部分,在proto_init()中,将调用protocols结构中包含的所有协议的初始化过程,sock_init())
  • 创建bdflush核心线程(bdflush()过程常驻核心空间,由核心唤醒来清理被写过的内存缓冲区,当bdflush()由kernel_thread()启动后,它将自己命名为kflushd)
  • 创建kupdate核心线程(kupdate()过程常驻核心空间,由核心按时调度执行,将内存缓冲区中的信息更新到磁盘中,更新的内容包括超级块和inode表)
  • 设置并启动核心调页线程kswapd(为了防止kswapd启动时将版本信息输出到其他信息中间,核心线调用kswapd_setup()设置kswapd运行所要求的环境,然后再创建 kswapd核心线程)
  • 创建事件管理核心线程(start_context_thread()函数启动context_thread()过程,并重命名为keventd)
  • 设备初始化(包括并口parport_init()、字符设备chr_dev_init()、块设备 blk_dev_init()、SCSI设备scsi_dev_init()、网络设备net_dev_init()、磁盘初始化及分区检查等等,device_setup())
  • 执行文件格式设置(binfmt_setup())
  • 启动任何使用__initcall标识的函数(方便核心开发者添加启动函数,do_initcalls())
  • 文件系统初始化(filesystem_setup())
  • 安装root文件系统(mount_root())

至此do_basic_setup()函数返回init(),在释放启动内存段(free_initmem())并给内核解锁以后,init()打开 /dev/console设备,重定向stdin、stdout和stderr到控制台,最后,搜索文件系统中的init程序(或者由init=命令行参 数指定的程序),并使用 execve()系统调用加载执行init程序。

init()函数到此结束,内核的引导部分也到此结束了,这个由start_kernel()创建的第一个线程已经成为一个用户模式下的进程了。此时系统中存在着六个运行实体:

  • start_kernel()本身所在的执行体,这其实是一个"手工"创建的线程,它在创建了init()线程以后就进入cpu_idle()循环了,它不会在进程(线程)列表中出现
  • init线程,由start_kernel()创建,当前处于用户态,加载了init程序
  • kflushd核心线程,由init线程创建,在核心态运行bdflush()函数
  • kupdate核心线程,由init线程创建,在核心态运行kupdate()函数
  • kswapd核心线程,由init线程创建,在核心态运行kswapd()函数
  • keventd核心线程,由init线程创建,在核心态运行context_thread()函数
对于I386平台
基本相同。
对于2.4.x版内核
这一部分的启动过程在2.4.x内核中简化了不少,缺省的独立初始化过程只剩下网络 (sock_init())和创建事件管理核心线程,而其他所需要的初始化都使用__initcall()宏 包含在do_initcalls()函数中启动执行。

 




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init进程和inittab引导指令

init进程是系统所有进程的起点,内核在完成核内引导以后,即在本线程(进程)空 间内加载init程序,它的进程号是1。

init程序需要读取/etc/inittab文件作为其行为指针,inittab是以行为单位的描述性(非执行性)文本,每一个指令行都具有以下格式:

id:runlevel:action:process其中id为入口标识符,runlevel为运行级别,action为动作代号,process为具体的执行程序。

id一般要求4个字符以内,对于getty或其他login程序项,要求id与tty的编号相同,否则getty程序将不能正常工作。

runlevel是init所处于的运行级别的标识,一般使用0-6以及S或s。0、1、6运行级别被系统保留,0作为shutdown动作,1作为重启 至单用户模式,6为重启;S和s意义相同,表示单用户模式,且无需inittab文件,因此也不在inittab中出现,实际上,进入单用户模式 时,init直接在控制台(/dev/console)上运行/sbin/sulogin。

在一般的系统实现中,都使用了2、3、4、5几个级别,在Redhat系统中,2表示无NFS支持的多用户模式,3表示完全多用户模式(也是最常用的级 别),4保留给用户自定义,5表示XDM图形登录方式。7-9级别也是可以使用的,传统的Unix系统没有定义这几个级别。runlevel可以是并列的 多个值,以匹配多个运行级别,对大多数action来说,仅当runlevel与当前运行级别匹配成功才会执行。

initdefault是一个特殊的action值,用于标识缺省的启动级别;当init由核心激活 以后,它将读取inittab中的initdefault项,取得其中的runlevel,并作为当前的运行级 别。如果没有inittab文件,或者其中没有initdefault项,init将在控制台上请求输入 runlevel。

sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel,其余的action(不含initdefault)都与某个runlevel相关。各个action的定义在inittab的man手册中有详细的描述。

在Redhat系统中,一般情况下inittab都会有如下几项:

id:3:initdefault:
#表示当前缺省运行级别为3--完全多任务模式;
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
#启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本
l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3    
#当运行级别为3时,以3为参数运行/etc/rc.d/rc脚本,init将等待其返回
0:12345:respawn:/sbin/mingetty tty0 
#在1-5各个级别上以tty0为参数执行/sbin/mingetty程序,打开tty0终端用于
#用户登录,如果进程退出则再次运行mingetty程序
x:5:respawn:/usr/bin/X11/xdm -nodaemon
#在5级别上运行xdm程序,提供xdm图形方式登录界面,并在退出时重新执行





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rc启动脚本

上一节已经提到init进程将启动运行rc脚本,这一节将介绍rc脚本具体的工作。

一般情况下,rc启动脚本都位于/etc/rc.d目录下,rc.sysinit中最常见的动作就是激活交换分区,检查磁盘,加载硬件模块,这些动作无论 哪个运行级别都是需要优先执行的。仅当rc.sysinit执行完以后init才会执行其他的boot或bootwait动作。

如果没有其他boot、bootwait动作,在运行级别3下,/etc/rc.d/rc将会得到执行,命令行参数为3,即执行/etc/rc.d /rc3.d/目录下的所有文件。rc3.d下的文件都是指向/etc/rc.d/init.d/目录下各个Shell脚本的符号连接,而这些脚本一般能 接受start、stop、restart、status等参数。rc脚本以start参数启动所有以S开头的脚本,在此之前,如果相应的脚本也存在K打 头的链接,而且已经处于运行态了(以/var/lock/subsys/下的文件作为标志),则将首先启动K开头的脚本,以stop作为参数停止这些已经 启动了的服务,然后再重新运行。显然,这样做的直接目的就是当init改变运行级别时,所有相关的服务都将重启,即使是同一个级别。

rc程序执行完毕后,系统环境已经设置好了,下面就该用户登录系统了。

 




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getty和login

在rc返回后,init将得到控制,并启动mingetty(见第五节)。mingetty是getty的简化,不能处理串口操作。getty的功能一般包括:

  • 打开终端线,并设置模式
  • 输出登录界面及提示,接受用户名的输入
  • 以该用户名作为login的参数,加载login程序

注:用于远程登录的提示信息位于/etc/issue.net中。

login程序在getty的同一个进程空间中运行,接受getty传来的用户名参数作为登录 的用户名。

如果用户名不是root,且存在/etc/nologin文件,login将输出nologin文件的内容, 然后退出。这通常用来系统维护时防止非root用户登录。

只有/etc/securetty中登记了的终端才允许root用户登录,如果不存在这个文件, 则root可以在任何终端上登录。/etc/usertty文件用于对用户作出附加访问限制,如果 不存在这个文件,则没有其他限制。

当用户登录通过了这些检查后,login将搜索/etc/passwd文件(必要时搜索 /etc/shadow文件)用于匹配密码、设置主目录和加载shell。如果没有指定主目录,将 默认为根目录;如果没有指定shell,将默认为/bin/sh。在将控制转交给shell以前, getty将输出/var/log/lastlog中记录的上次登录系统的信息,然后检查用户是否有新 邮件(/usr/spool/mail/{username})。在设置好shell的uid、gid,以及TERM,PATH 等环境变量以后,进程加载shell,login的任务也就完成了。

 




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bash

运行级别3下的用户login以后,将启动一个用户指定的shell,以下以/bin/bash为例继续我们的启动过程。

bash是Bourne Shell的GNU扩展,除了继承了sh的所有特点以外,还增加了很多特 性和功能。由login启动的bash是作为一个登录shell启动的,它继承了getty设置的TERM、PATH等环境变量,其中PATH对于普通用户为"/bin:/usr/bin:/usr/local/bin",对于root 为"/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin"。作为登录shell,它将首先寻找/etc/profile 脚本文件,并执行它;然后如果存在~/.bash_profile,则执行它,否则执行 ~/.bash_login,如果该文件也不存在,则执行~/.profile文件。然后bash将作为一个 交互式shell执行~/.bashrc文件(如果存在的话),很多系统中,~/.bashrc都将启动 /etc/bashrc作为系统范围内的配置文件。

当显示出命令行提示符的时候,整个启动过程就结束了。此时的系统,运行着内核, 运行着几个核心线程,运行着init进程,运行着一批由rc启动脚本激活的守护进程(如 inetd等),运行着一个bash作为用户的命令解释器。

 




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附:XDM方式登录

如果缺省运行级别设为5,则系统中不光有1-6个getty监听着文本终端,还有启动了一个XDM的图形登录窗口。登录过程和文本方式差不多,也需要提供用户名和口令,XDM 的配置文件缺省为/usr/X11R6/lib/X11/xdm/xdm-config文件,其中指定了 /usr/X11R6/lib/X11/xdm/xsession作为XDM的会话描述脚本。登录成功后,XDM将执行这个脚本以运行一个会话管理器,比如gnome-session等。

除了XDM以外,不同的窗口管理系统(如KDE和GNOME)都提供了一个XDM的替代品,如gdm和kdm,这些程序的功能和XDM都差不多。

 

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