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2.2 Linux启动过程详解
在了解了Linux的常见命令之后,下面详细讲解Linux的启动过程。Linux的启动过程包含了Linux工作原理的精髓,而且在嵌入式开发过程中非常需要这方面的知识。
2.2.1 概述
用户开机启动Linux过程如下:
(1)当用户打开PC(intel CPU)的电源时,CPU将自动进入实模式,并从地址0xFFFF0000开始自动执行程序代码,这个地址通常是ROM-BIOS中的地址。这时BIOS进行开机自检,并按BIOS中设置的启动设备(通常是硬盘)进行启动,接着启动设备上安装的引导程序lilo或grub开始引导Linux(也就是启动设备的第一个扇区),这时,Linux才获得了启动权。
(2)第二阶段,Linux首先进行内核的引导,主要完成磁盘引导、读取机器系统数据、实模式和保护模式的切换、加载数据段寄存器以及重置中断描述符表等。
(3)第三阶段执行init程序(也就是系统初始化工作),init程序调用了rc.sysinit和rc等程序,而rc.sysinit和rc在完成系统初始化和运行服务的任务后,返回init。
(4)第四阶段,init启动mingetty,打开终端供用户登录系统,用户登录成功后进入了shell,这样就完成了从开机到登录的整个启动过程。
Linux启动总体流程如图2.2所示,其中的4个阶段分别由同步棒隔开。第一阶段不涉及Linux自身的启动过程,下面分别对第二和第三阶段进行详细讲解。
图2.2 Linux启动总体流程图
2.2.2 内核引导阶段
在grub或lilo等引导程序成功完成引导Linux系统的任务后,Linux就从它们手中接管了CPU的控制权。用户可以从www.kernel.org上下载最新版本的源码进行阅读,其目录为:linux-2.6.*.*/arch/i386/boot。在启动过程中主要用到该目录下的几个文件:bootsect.S、setup.S以及compressed子目录下的head.S等。
Linux的内核通常是压缩过的,包括上述提到的那几个重要的汇编程序,它们都是在压缩内核vmlinuz中的。Linux中提供的内核包含了众多驱动和功能,容量较大,压缩内核可以节省大量的空间,压缩的内核在启动时可以对自身进行解包。
(1)bootsect阶段
当grub读入vmlinuz后,会根据bootsect(512字节)把它自身和setup程序段读到以不大于0x90000开始的的内存里(注意:在以往的引导协议里是放在0x90000,但现在有所变化),然后grub会跳过bootsect那512字节的程序段,直接运行setup里的第一跳指令。就是说bzImage里bootsect的程序没有再被执行了,而bootsect.S在完成了指令搬移以后就退出了。之后执行权就转到了setup.S的程序中。
(2)setup阶段。
setup.S的主要功能是利用ROM BIOS中断读取机器系统数据,并将系统参数(包括内存、磁盘等)保存到以0x90000~0x901FF开始的内存中。
此外,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,它还会设置CPU的控制寄存器CR0(也称机器状态字),从而进入32位保护模式运行,并跳转到绝对地址为0x100000(虚拟地址0xC0000000+0x100000)的位置。当CPU跳到0x100000时,将执行“arch/i386/kernel/head.S”中的startup_32。
(3)head.S阶段。
当运行到head.S时,系统已经运行在保护模式,而head.S完成的一个重要任务就是将内核解压。内核是通过压缩的方式放在内存中的,head.S通过调用misc.c中定义的decompress_kernel()函数,将内核vmlinuz解压到0x100000。
接下来head.S程序完成寄存器、分页表的初始化工作,但要注意的是,这个head.S程序与完成解压缩工作的head.S程序是不同的,它在源代码中的位置是arch/i386/kernel/head.S。
在完成了初始化之后,head.S就跳转到start_kernel()函数中去了。
(4)main.c阶段。
start_kernel()是“init/main.c”中定义的函数,start_kernel()调用了一系列初始化函数,进行内核的初始化工作。要注意的是,在初始化之前系统中断仍然是被屏蔽的,另外内核也处于被锁定状态,以保证只有一个CPU用于Linux系统的启动。
在start_kernel()的最后,调用了init()函数,也就是下面要讲述的init阶段。
2.2.3 init阶段
在加载了内核之后,由内核执行引导的第一个进程是init进程,该进程号始终是“1”。init进程根据其配置文件“/etc/inittab”主要完成系统的一系列初始化的任务。由于该配置文件是init进程执行的惟一依据,因此先对它的格式进行统一讲解。
inittab文件中除了注释行外,每一行都有如下格式:
id:runlevels:action:process
(1)id。
id是配置记录标识符,由1~4个字符组成,对于getty或mingetty等其他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。
(2)runlevels。
runlevels是运行级别记录符,一般使用0~6以及S和s。其中,0、1、6运行级别为系统保留: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。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,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。
(3)action。
action字段用于描述系统执行的特定操作,它的常见设置有:initdefault、sysinit、boot、bootwait、respawn等。
initdefault用于标识系统缺省的启动级别。当init由内核激活以后,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,忽略其中的runlevel。
respawn字段表示该类进程在结束后会重新启动运行。
(4)process。
process字段设置启动进程所执行的命令。
以下结合笔者系统中的inittab配置文件详细讲解该配置文件完成的功能。
1.确定用户登录模式
在“/etc/inittab”中列出了如下所示的登录模式,主要有单人维护模式、多用户无网络模式、文字界面多用户模式、X-Windows多用户模式等。其中的单人维护模式(run level为1)类似于Windows中的“安全模式”,在这种情况下,系统不加载复杂的模式从而使系统能够正常启动。在这些模式中最为常见的是3或5,其中本系统中默认的为5,也就是X-Windows多用户模式。以下是在“/etc/inittab”文件中设置系统启动模式的部分。
# 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 have networking)
# 3 - Full multiuser mode (文本界面启动模式)
# 4 - unused
# 5 - X11 (图形界面启动模式)
# 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
#
id:5:initdefault:
2.执行/etc/rc.d/rc.sysinit
在确定了登录模式之后,就要开始将Linux的主机信息读入系统,其过程是通过运行“/etc/rc.d/rc.sysinit”脚本而完成的。查看此文件可以看出,在这里确定了默认路径、主机名称、“/etc/sysconfig/network”中所记录的网络信息等。以下是在“/etc/inittab”文件中运行该脚本的部分。
# System initialization.
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
3.加载内核的外挂模块,执行各运行级别的脚本以及进入用户登录界面
在此,主要是读取模块加载配置文件(/etc/modules.conf),以确认需要加载哪些模块。接下来会根据不同的运行级(run level),通过带参数(运行级)运行“/etc/rc.d/rc”脚本,加载不同的模块,启动系统服务。init进程会等待(wait)“/etc/rc.d/rc”脚本的返回。系统还需要配置一些异常关机的处理部分,最后通过“/sbin/mingetty”打开几个虚拟终端(tty1~tty6),用于用户登录。如果运行级为5(图形界面启动),则运行xdm程序,给用户提供xdm图形界面的登录方式。如果在本地打开一个虚拟终端,当这个终端超时没有用户登录或者太久没有用户击键时,该终端会退出执行,脚本中的“respawn”即告诉init进程重新打开该终端,否则在经过一段时间之后,我们会发现这个终端消失了,无法利用ALT+Fn切换。
以下是“/etc/inittab”文件中的相应部分。
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
l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
# 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"
# 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
# Run xdm in runlevel 5
x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon |
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