Linux基礎命令之： Linux啟動(dòng)過(guò)程詳解

2.2Linux啟動(dòng)過(guò)程詳解

在了解了Linux的常見(jiàn)命令之后，下面詳細講解Linux的啟動(dòng)過(guò)程。Linux的啟動(dòng)過(guò)程包含了Linux工作原理的精髓，而且在嵌入式開(kāi)發(fā)過(guò)程中非常需要這方面的知識。

2.2.1概述

用戶(hù)開(kāi)機啟動(dòng)Linux過(guò)程如下：

（1）當用戶(hù)打開(kāi)PC（intelCPU）的電源時(shí)，CPU將自動(dòng)進(jìn)入實(shí)模式，并從地址0xFFFF0000開(kāi)始自動(dòng)執行程序代碼，這個(gè)地址通常是ROM-BIOS中的地址。這時(shí)BIOS進(jìn)行開(kāi)機自檢，并按BIOS中設置的啟動(dòng)設備（通常是硬盤(pán)）進(jìn)行啟動(dòng)，接著(zhù)啟動(dòng)設備上安裝的引導程序lilo或grub開(kāi)始引導Linux（也就是啟動(dòng)設備的第一個(gè)扇區），這時(shí)，Linux才獲得了啟動(dòng)權。

（2）第二階段，Linux首先進(jìn)行內核的引導，主要完成磁盤(pán)引導、讀取機器系統數據、實(shí)模式和保護模式的切換、加載數據段寄存器以及重置中斷描述符表等。

（3）第三階段執行init程序（也就是系統初始化工作），init程序調用了rc.sysinit和rc等程序，而rc.sysinit和rc在完成系統初始化和運行服務(wù)的任務(wù)后，返回init。

（4）第四階段，init啟動(dòng)mingetty，打開(kāi)終端供用戶(hù)登錄系統，用戶(hù)登錄成功后進(jìn)入了shell，這樣就完成了從開(kāi)機到登錄的整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程。

Linux啟動(dòng)總體流程如圖2.2所示，其中的4個(gè)階段分別由同步棒隔開(kāi)。第一階段不涉及Linux自身的啟動(dòng)過(guò)程，下面分別對第二和第三階段進(jìn)行詳細講解。

圖2.2Linux啟動(dòng)總體流程圖

2.2.2內核引導階段

在grub或lilo等引導程序成功完成引導Linux系統的任務(wù)后，Linux就從它們手中接管了CPU的控制權。用戶(hù)可以從www.kernel.org上下載最新版本的源碼進(jìn)行閱讀，其目錄為：linux-2.6.*.*/arch/i386/boot。在啟動(dòng)過(guò)程中主要用到該目錄下的幾個(gè)文件：bootsect.S、setup.S以及compressed子目錄下的head.S等。

Linux的內核通常是壓縮過(guò)的，包括上述提到的那幾個(gè)重要的匯編程序，它們都是在壓縮內核vmlinuz中的。Linux中提供的內核包含了眾多驅動(dòng)和功能，容量較大，壓縮內核可以節省大量的空間，壓縮的內核在啟動(dòng)時(shí)可以對自身進(jìn)行解包。

（1）bootsect階段

當grub讀入vmlinuz后，會(huì )根據bootsect（512字節）把它自身和setup程序段讀到以不大于0x90000開(kāi)始的的內存里（注意：在以往的引導協(xié)議里是放在0x90000，但現在有所變化），然后grub會(huì )跳過(guò)bootsect那512字節的程序段，直接運行setup里的第一跳指令。就是說(shuō)bzImage里bootsect的程序沒(méi)有再被執行了，而bootsect.S在完成了指令搬移以后就退出了。之后執行權就轉到了setup.S的程序中。

（2）setup階段。

setup.S的主要功能是利用ROMBIOS中斷讀取機器系統數據，并將系統參數（包括內存、磁盤(pán)等）保存到以0x90000～0x901FF開(kāi)始的內存中。

此外，setup.S還將video.S中的代碼包含進(jìn)來(lái)，檢測和設置顯示器和顯示模式。

最后，它還會(huì )設置CPU的控制寄存器CR0（也稱(chēng)機器狀態(tài)字），從而進(jìn)入32位保護模式運行，并跳轉到絕對地址為0x100000（虛擬地址0xC0000000+0x100000）的位置。當CPU跳到0x100000時(shí)，將執行“arch/i386/kernel/head.S”中的startup_32。

（3）head.S階段。

當運行到head.S時(shí)，系統已經(jīng)運行在保護模式，而head.S完成的一個(gè)重要任務(wù)就是將內核解壓。內核是通過(guò)壓縮的方式放在內存中的，head.S通過(guò)調用misc.c中定義的decompress_kernel()函數，將內核vmlinuz解壓到0x100000。

接下來(lái)head.S程序完成寄存器、分頁(yè)表的初始化工作，但要注意的是，這個(gè)head.S程序與完成解壓縮工作的head.S程序是不同的，它在源代碼中的位置是arch/i386/kernel/head.S。

在完成了初始化之后，head.S就跳轉到start_kernel()函數中去了。

（4）main.c階段。

start_kernel()是“init/main.c”中定義的函數，start_kernel()調用了一系列初始化函數，進(jìn)行內核的初始化工作。要注意的是，在初始化之前系統中斷仍然是被屏蔽的，另外內核也處于被鎖定狀態(tài)，以保證只有一個(gè)CPU用于Linux系統的啟動(dòng)。

在start_kernel()的最后，調用了init()函數，也就是下面要講述的init階段。

2.2.3init階段

在加載了內核之后，由內核執行引導的第一個(gè)進(jìn)程是init進(jìn)程，該進(jìn)程號始終是“1”。init進(jìn)程根據其配置文件“/etc/inittab”主要完成系統的一系列初始化的任務(wù)。由于該配置文件是init進(jìn)程執行的惟一依據，因此先對它的格式進(jìn)行統一講解。

inittab文件中除了注釋行外，每一行都有如下格式：

id:runlevels:action:process

（1）id。

id是配置記錄標識符，由1～4個(gè)字符組成，對于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）runlevels。

runlevels是運行級別記錄符，一般使用0～6以及S和s。其中，0、1、6運行級別為系統保留：0作為shutdown動(dòng)作，1作為重啟至單用戶(hù)模式，6為重啟；S和s意義相同，表示單用戶(hù)模式，且無(wú)需inittab文件，因此也不在inittab中出現。7～9級別也是可以使用的，傳統的UNIX系統沒(méi)有定義這幾個(gè)級別。

runlevel可以是并列的多個(gè)值，對大多數action來(lái)說(shuō)，僅當runlevel與當前運行級別匹配成功才會(huì )執行。

（3）action。

action字段用于描述系統執行的特定操作，它的常見(jiàn)設置有：initdefault、sysinit、boot、bootwait、respawn等。

initdefault用于標識系統缺省的啟動(dòng)級別。當init由內核激活以后，它將讀取inittab中的initdefault項，取得其中的runlevel，并作為當前的運行級別。如果沒(méi)有inittab文件，或者其中沒(méi)有initdefault項，init將在控制臺上請求輸入runlevel。

sysinit、boot、bootwait等action將在系統啟動(dòng)時(shí)無(wú)條件運行，忽略其中的runlevel。

respawn字段表示該類(lèi)進(jìn)程在結束后會(huì )重新啟動(dòng)運行。

（4）process。

process字段設置啟動(dòng)進(jìn)程所執行的命令。

以下結合筆者系統中的inittab配置文件詳細講解該配置文件完成的功能。