內容︰
一. Bootloader
二.Kernel引匯入口
三.核心數據架構初始化--核心引導第一部分
四.外設初始化--核心引導第二部分
五.init行程和inittab引導指令
六.rc啟動腳本
七.getty和login
八.bash
附︰XDM模式登錄



本文以Redhat 6.0 Linux 2.2.19 for Alpha/AXP為平台,描述了從開機到登錄的 Linux 啟動全過程。該文對i386平台同樣適用。


一. Bootloader
在Alpha/AXP 平台上引導Linux通常有兩種方法,一種是由MILO及其他類似的引導程式引導,另一種是由Firmware直接引導。MILO功能與i386平台的LILO相近,但內置有基本的磁片驅動程式(如IDE、SCSI等),以及常見的檔案系統驅動程式(如ext2,iso9660等), firmware有ARC、SRM兩種形式,ARC具有類BIOS界面,甚至還有多重引導的設定;而SRM則具有功能強大的命令行界面,用戶可以在控制台上使用boot等命令引導系統。ARC有分區(Partition)的概念,因此可以訪問到分區的首扇區;而SRM只能將控制轉給磁片的首扇區。兩種firmware都可以透過引導MILO來引導Linux,也可以直接引導Linux的引導代碼。


“arch/alpha/boot” 下就是製作Linux Bootloader的檔案。“head.S”檔案提供了對 OSF PAL/1的調用入口,它將被編譯後置於引導扇區(ARC的分區首扇區或SRM的磁片0扇區),得到控制後初始化一些數據架構,再將控制轉給“main.c”中的start_kernel(), start_kernel()向控制台輸出一些提示,調用pal_init()初始化PAL代碼,調用openboot() 打開引導設備(透過讀取Firmware環境),調用load()將核心代碼加載到START_ADDR(見 “include/asm-alpha/system.h”),再將Firmware中的核心引導參數加載到ZERO_PAGE(0) 中,最後調用runkernel()將控制轉給0x100000的kernel,bootloader部分結束。


“arch/alpha/boot/bootp.c”以“main.c”為基礎,可代替“main.c”與“head.S” 生成用於BOOTP協議網路引導的Bootloader。
Bootloader中使用的所有“srm_”函數在“arch/alpha/lib/”中定義。


以上這種Boot模式是一種最簡單的模式,即不需其他工具就能引導Kernel,前提是按照 Makefile的指導,生成bootimage檔案,內含以上提到的bootloader以及vmlinux,然後將 bootimage寫入自磁片引導扇區始的位置中。


當採用MILO這樣的引導程式來引導Linux時,不需要上面所說的Bootloader,而只需要 vmlinux或vmlinux.gz,引導程式會主動解壓加載核心到0x1000(小核心)或0x100000(大核心),並直接進入核心引導部分,即本文的第二節。


對於I386平台
i386系統中一般都有BIOS做最初的引導工作,那就是將四個主分區表中的第一個可引導 分區的第一個扇區加載到實模式位址0x7c00上,然後將控制轉交給它。


在“arch/i386/boot” 目錄下,bootsect.S是生成引導扇區的彙編源碼,它首先將自己拷貝到0x90000上,然後將緊接其後的setup部分(第二扇區)拷貝到0x90200,將真正的核心代碼拷貝到0x100000。以上這些拷貝動作都是以bootsect.S、setup.S以及vmlinux在磁片上連續存放為前提的,也就是說,我們的bzImage檔案或者zImage檔案是按照bootsect,setup, vmlinux這樣的順序組織,並存放於始於引導分區的首扇區的連續磁片扇區之中。


bootsect.S完成加載動作後,就直接跳轉到0x90200,這裡正是setup.S的程式入口。 setup.S的主要功能就是將系統參數(包括記憶體、磁片等,由BIOS返回)拷貝到 0x90000-0x901FF記憶體中,這個地方正是bootsect.S存放的地方,這時它將被系統參數覆蓋。以後這些參數將由保護模式下的代碼來讀取。


除此之外,setup.S還將video.S中的代碼包含進來,檢測和設定顯示器和顯示模式。最 後,setup.S將系統轉換到保護模式,並跳轉到0x100000(對於bzImage格式的大核心是 0x100000,對於zImage格式的是0x1000)的核心引導代碼,Bootloader過程結束。


對於2.4.x版核心
沒有什麼變化。


二.Kernel引匯入口



在arch/alpha/vmlinux.lds 的鏈接腳本控制下,鏈接程式將vmlinux的入口置於 "arch/alpha/kernel/head.S"中的__start上,因此當Bootloader跳轉到0x100000時, __start處的代碼開始執行。__start的代碼很簡單,只需要設定一下全局變量,然後就跳轉到start_kernel去了。start_kernel()是"init/main.c"中的asmlinkage函數,至此,啟動過程轉入體系架構無關的通用C代碼中。


對於I386平台
在i386體系架構中,因為i386本身的問題,在 "arch/alpha/kernel/head.S"中需要更多的設定,但最終也是透過call SYMBOL_NAME(start_kernel)轉到start_kernel()這個體系架構無關的函數中去執行了。


所不同的是,在i386系統中,當核心以bzImage的形式壓縮,即大核心模式(__BIG_KERNEL__)壓縮時就需要預先處理bootsect.S和setup.S,按照大核模式使用$(CPP) 處理生成bbootsect.S和bsetup.S,然後再編譯生成相應的.o檔案,並使用 "arch/i386/boot/compressed/build.c"生成的build工具,將實際的核心(未壓縮的,含 kernel中的head.S代碼)與"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引導執行(startup_32入口),然後它調用misc.c中定義的decompress_kernel()函數,使用 "lib/inflate.c"中定義的gunzip()將核心解壓到0x100000,再轉到其上執行 "arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32代碼。


對於2.4.x版核心
沒有變化。


三.核心數據架構初始化--核心引導第一部分
start_kernel()中調用了一系列初始化函數,以完成kernel本身的設定。 這些動作有的是公共的,有的則是需要配置的才會執行的。



在start_kernel()函數中,
輸出Linux版本訊息(printk(linux_banner))
設定與體系架構相關的環境(setup_arch())
頁表架構初始化(paging_init())
使用"arch/alpha/kernel/entry.S"中的入口點設定系統自陷入口(trap_init())
使用alpha_mv架構和entry.S入口初始化系統IRQ(init_IRQ())
核心行程調度器初始化(包括初始化幾個缺省的Bottom-half,sched_init())
時間、定時器初始化(包括讀取CMOS時鐘、估測主頻、初始化定時器中斷等,time_init())
提取並分析核心啟動參數(從環境變量中讀取參數,設定相應標誌位等待處理,(parse_options())
控制台初始化(為輸出訊息而先於PCI初始化,console_init())
剖析器數據架構初始化(prof_buffer和prof_len變量)
核心Cache初始化(描述Cache訊息的Cache,kmem_cache_init())
延遲校準(獲得時鐘jiffies與CPU主頻ticks的延遲,calibrate_delay())
記憶體初始化(設定記憶體上下界和頁表項初始值,mem_init())
建立和設定內部及通用cache("slab_cache",kmem_cache_sizes_init())
建立uid taskcount SLAB cache("uid_cache",uidcache_init())
建立檔案cache("files_cache",filescache_init())
建立目錄cache("dentry_cache",dcache_init())
建立與虛存相關的cache("vm_area_struct","mm_struct",vma_init())
區塊設備讀寫緩衝區初始化(同時建立"buffer_head"cache用戶加速訪問,buffer_init())
建立頁cache(記憶體頁hash表初始化,page_cache_init())
建立信號隊列cache("signal_queue",signals_init())
初始化記憶體inode表(inode_init())
建立記憶體檔案描述符表("filp_cache",file_table_init())
檢查體系架構漏洞(對於alpha,此函數為空,check_bugs())
SMP機器其餘CPU(除當前引導CPU)初始化(對於沒有配置SMP的核心,此函數為空,smp_init())
啟動init過程(建立第一個核心線程,調用init()函數,原執行序列調用cpu_idle() 等待調度,init())
至此start_kernel()結束,基本的核心環境已經建立起來了。


對於I386平台
i386平台上的核心啟動過程與此基本相同,所不同的主要是實現模式。


對於2.4.x版核心
2.4.x中變化比較大,但基本過程沒變,變動的是各個數據架構的具體實現,比如Cache。



四.外設初始化--核心引導第二部分
init()函數作為核心線程,首先鎖定核心(僅對SMP機器有效),然後調用 do_basic_setup()完成外設及其驅動程式的加載和初始化。過程如下︰



匯流排初始化(比如pci_init())
網路初始化(初始化網路數據架構,包括sk_init()、skb_init()和proto_init()三部分,在proto_init()中,將調用protocols架構中包含的所有協議的初始化過程,sock_init())
建立bdflush核心線程(bdflush()過程常駐核心空間,由核心喚醒來清理被寫過的記憶體緩衝區,當bdflush()由kernel_thread()啟動後,它將自己命名為kflushd)
建立kupdate核心線程(kupdate()過程常駐核心空間,由核心按時調度執行,將記憶體緩衝區中的訊息更新到磁片中,更新的內容包括超級塊和inode表)
設定並啟動核心調頁線程kswapd(為了防止kswapd啟動時將版本訊息輸出到其他訊息中間,核心線調用kswapd_setup()設定kswapd執行所要求的環境,然後再建立 kswapd核心線程)
建立事件管理核心線程(start_context_thread()函數啟動context_thread()過程,並重命名為keventd)
設備初始化(包括並口parport_init()、字符設備chr_dev_init()、區塊設備 blk_dev_init()、SCSI設備scsi_dev_init()、網路設備net_dev_init()、磁片初始化及分區檢查等等, device_setup())
執行檔案格式設定(binfmt_setup())
啟動任何使用__initcall標識的函數(方便核心開發者添加啟動函數,do_initcalls())
檔案系統初始化(filesystem_setup())
安裝root檔案系統(mount_root())
至此do_basic_setup()函數返回init(),在釋放啟動記憶體段(free_initmem())並給核心解鎖以後,init()打開 /dev/console設備,重定向stdin、stdout和stderr到控制台,最後,搜索檔案系統中的init程式(或者由init=命令行參數指定的程式),並使用 execve()系統調用加載執行init程式。


init()函數到此結束,核心的引導部分也到此結束了,這個由start_kernel()建立的第一個線程已經成為一個用戶模式下的行程了。此時系統中存在著六個執行實體︰


start_kernel()本身所在的執行體,這其實是一個"手工"建立的線程,它在建立了init()線程以後就進入cpu_idle()循環了,它不會在行程(線程)清單中出現
init線程,由start_kernel()建立,當前處於用戶態,加載了init程式
kflushd核心線程,由init線程建立,在核心態執行bdflush()函數
kupdate核心線程,由init線程建立,在核心態執行kupdate()函數
kswapd核心線程,由init線程建立,在核心態執行kswapd()函數
keventd核心線程,由init線程建立,在核心態執行context_thread()函數


對於I386平台
基本相同。


對於2.4.x版核心
這一部分的啟動過程在2.4.x核心中簡化了不少,缺省的獨立初始化過程只剩下網路 (sock_init())和建立事件管理核心線程,而其他所需要的初始化都使用__initcall()宏 包含在do_initcalls()函數中啟動執行。


五.init行程和inittab引導指令
init行程是系統所有行程的起點,核心在完成核內引導以後,即在本線程(行程)空 間內加載init程式,它的行程號是1。


init程式需要讀取/etc/inittab檔案作為其行為指標,inittab是以行為單位的描述性(非執行性)文本,每一個指令行都具有以下格式︰


id:runlevel:action:process其中id為入口標識符,runlevel為執行級別,action為動作代號,process為具體的執行程式。


id一般要求4個字符以內,對於getty或其他login程式項,要求id與tty的編號相同,否則getty程式將不能正常工作。


runlevel 是init所處於的執行級別的標識,一般使用0-6以及S或s。0、1、6執行級別被系統保留,0作為shutdown動作,1作為重啟至單用戶模式,6 為重啟;S和s意義相同,表示單用戶模式,且無需inittab檔案,因此也不在inittab中出現,實際上,進入單用戶模式時,init直接在控制台(/dev/console)上執行/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支援的多用戶模式,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圖形登錄模式。7- 9級別也是可以使用的,道統的Unix系統沒有定義這幾個級別。runlevel可以是並列的多個值,以匹配多個執行級別,對大多數action來說,僅當runlevel與當前執行級別匹配成功才會執行。


initdefault是一個特殊的action值,用於標識缺省的啟動級別;當init由核心激活 以後,它將讀取inittab中的initdefault項,取得其中的runlevel,並作為當前的執行級別。如果沒有inittab檔案,或者其中沒有initdefault項,init將在控制台上請求輸入 runlevel。


sysinit、 boot、bootwait等action將在系統啟動時無條件執行,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。


在Redhat系統中,一般情況下inittab都會有如下幾項︰
id:3:initdefault:
#表示當前缺省執行級別為3--完全多任務模式;
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
#啟動時自動執行/etc/rc.d/rc.sysinit腳本
l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
#當執行級別為3時,以3為參數執行/etc/rc.d/rc腳本,init將等待其返回
0:12345:respawn:/sbin/mingetty tty0
#在1-5各個級別上以tty0為參數執行/sbin/mingetty程式,打開tty0終端用於
#用戶登錄,如果行程退出則再次執行mingetty程式
x:5:respawn:/usr/bin/X11/xdm -nodaemon
#在5級別上執行xdm程式,提供xdm圖形模式登錄界面,並在退出時重新執行



六.rc啟動腳本


上一節已經提到init行程將啟動執行rc腳本,這一節將介紹rc腳本具體的工作。


一般情況下,rc啟動腳本都位於/etc/rc.d目錄下,rc.sysinit中最常見的動作就是激活交換分區,檢查磁片,加載硬體模塊,這些動作無論哪個執行級別都是需要優先執行的。僅當rc.sysinit執行完以後init才會執行其他的boot或bootwait動作。


如果沒有其他boot、bootwait動作,在執行級別3下,/etc/rc.d/rc將會得到執行,命令行參數為3,即執行 /etc/rc.d/rc3.d/目錄下的所有檔案。rc3.d下的檔案都是指向/etc/rc.d/init.d/目錄下各個Shell腳本的符號連接,而這些腳本一般能接受start、stop、restart、status等參數。rc腳本以start參數啟動所有以S開頭的腳本,在此之前,如果相應的腳本也存在K打頭的鏈接,而且已經處於執行態了(以/var/lock/subsys/下的檔案作為標誌),則將首先啟動K開頭的腳本,以stop 作為參數停止這些已經啟動了的服務,然後再重新執行。顯然,這樣做的直接目的就是當init改變執行級別時,所有相關的服務都將重啟,即使是同一個級別。


rc程式執行完畢後,系統環境已經設定好了,下面就該用戶登錄系統了。


七.getty和login


在rc返回後,init將得到控制,並啟動mingetty(見第五節)。mingetty是getty的簡化,不能處理串口操作。getty的功能一般包括︰



打開終端線,並設定模式
輸出登錄界面及提示,接受用戶名的輸入
以該用戶名作為login的參數,加載login程式
缺省的登錄提示記錄在/etc/issue檔案中,但每次啟動,一般都會由rc.local腳本根據系統環境重新生成。


注︰用於遠程登錄的提示訊息位於/etc/issue.net中。


login程式在getty的同一個行程空間中執行,接受getty傳來的用戶名參數作為登錄的用戶名。


如果用戶名不是root,且存在/etc/nologin檔案,login將輸出nologin檔案的內容,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,如果不存在這個檔案,則root可以在任何終端上登錄。/etc/usertty檔案用於對用戶作出附加訪問限制,如果不存在這個檔案,則沒有其他限制。


當用戶登錄透過了這些檢查後,login將搜索/etc/passwd檔案(必要時搜索 /etc/shadow檔案)用於匹配密碼、設定主目錄和加載shell。如果沒有指定主目錄,將預設為根目錄;如果沒有指定shell,將預設為 /bin/sh。在將控制轉交給shell以前, getty將輸出/var/log/lastlog中記錄的上次登錄系統的訊息,然後檢查用戶是否有新郵件(/usr/spool/mail/ {username})。在設定好shell的uid、gid,以及TERM,PATH 等環境變量以後,行程加載shell,login的任務也就完成了。


八.bash


執行級別3下的用戶login以後,將啟動一個用戶指定的shell,以下以/bin/bash為例繼續我們的啟動過程。


bash 是Bourne Shell的GNU擴展,除了繼承了sh的所有特點以外,還增加了很多特性和功能。由login啟動的bash是作為一個登錄shell啟動的,它繼承了 getty設定的TERM、PATH等環境變量,其中PATH對於普通用戶為"/bin:/usr/bin:/usr/local/bin",對於 root 為"/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin"。作為登錄shell,它將首先尋找/etc/profile 腳本檔案,並執行它;然後如果存在~/.bash_profile,則執行它,否則執行 ~/.bash_login,如果該檔案也不存在,則執行~/.profile檔案。然後bash將作為一個交互式shell執行~/.bashrc檔案(如果存在的話),很多系統中,~/.bashrc都將啟動 /etc/bashrc作為系統範圍內的配置檔案。


當顯示出命令行提示符的時候,整個啟動過程就結束了。此時的系統,執行著核心,執行著幾個核心線程,執行著init行程,執行著一批由rc啟動腳本激活的守護行程(如 inetd等),執行著一個bash作為用戶的命令解釋器。


附︰XDM模式登錄
如果缺省執行級別設為5,則系統中不光有1-6個getty監聽著文本終端,還有啟動了一個XDM的圖形登錄視窗。登錄過程和文本模式差不多,也需要提供用戶名和密碼,XDM 的配置檔案缺省為/usr/X11R6/lib/X11/xdm/xdm-config檔案,其中指定了 /usr/X11R6/lib/X11/xdm/xsession作為XDM的會話描述腳本。登錄成功後,XDM將執行這個腳本以執行一個會話管理器,比如gnome-session等。


除了XDM以外,不同的視窗管理系統(如KDE和GNOME)都提供了一個XDM的替代品,如gdm和kdm,這些程式的功能和XDM都差不多。

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