Linux基础命令之： Linux启动过程详解

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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