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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。