Linux基礎(chǔ)命令之： Linux啟動(dòng)過程詳解

2.2Linux啟動(dòng)過程詳解

在了解了Linux的常見命令之后，下面詳細(xì)講解Linux的啟動(dòng)過程。Linux的啟動(dòng)過程包含了Linux工作原理的精髓，而且在嵌入式開發(fā)過程中非常需要這方面的知識(shí)。

2.2.1概述

用戶開機(jī)啟動(dòng)Linux過程如下：

（1）當(dāng)用戶打開PC（intelCPU）的電源時(shí)，CPU將自動(dòng)進(jìn)入實(shí)模式，并從地址0xFFFF0000開始自動(dòng)執(zhí)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)行開機(jī)自檢，并按BIOS中設(shè)置的啟動(dòng)設(shè)備（通常是硬盤）進(jìn)行啟動(dòng)，接著啟動(dòng)設(shè)備上安裝的引導(dǎo)程序lilo或grub開始引導(dǎo)Linux（也就是啟動(dòng)設(shè)備的第一個(gè)扇區(qū)），這時(shí)，Linux才獲得了啟動(dòng)權(quán)。

（2）第二階段，Linux首先進(jìn)行內(nèi)核的引導(dǎo)，主要完成磁盤引導(dǎo)、讀取機(jī)器系統(tǒng)數(shù)據(jù)、實(shí)模式和保護(hù)模式的切換、加載數(shù)據(jù)段寄存器以及重置中斷描述符表等。

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

（4）第四階段，init啟動(dòng)mingetty，打開終端供用戶登錄系統(tǒng)，用戶登錄成功后進(jìn)入了shell，這樣就完成了從開機(jī)到登錄的整個(gè)啟動(dòng)過程。

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。第一階段不涉及Linux自身的啟動(dòng)過程，下面分別對(duì)第二和第三階段進(jìn)行詳細(xì)講解。

圖2.2Linux啟動(dòng)總體流程圖

2.2.2內(nèi)核引導(dǎo)階段

在grub或lilo等引導(dǎo)程序成功完成引導(dǎo)Linux系統(tǒng)的任務(wù)后，Linux就從它們手中接管了CPU的控制權(quán)。用戶可以從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(nèi)核通常是壓縮過的，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(nèi)核vmlinuz中的。Linux中提供的內(nèi)核包含了眾多驅(qū)動(dòng)和功能，容量較大，壓縮內(nèi)核可以節(jié)省大量的空間，壓縮的內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)可以對(duì)自身進(jìn)行解包。

（1）bootsect階段

當(dāng)grub讀入vmlinuz后，會(huì)根據(jù)bootsect（512字節(jié)）把它自身和setup程序段讀到以不大于0x90000開始的的內(nèi)存里（注意：在以往的引導(dǎo)協(xié)議里是放在0x90000，但現(xiàn)在有所變化），然后grub會(huì)跳過bootsect那512字節(jié)的程序段，直接運(yùn)行setup里的第一跳指令。就是說bzImage里bootsect的程序沒有再被執(zhí)行了，而bootsect.S在完成了指令搬移以后就退出了。之后執(zhí)行權(quán)就轉(zhuǎn)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(jī)器系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng)參數(shù)（包括內(nèi)存、磁盤等）保存到以0x90000～0x901FF開始的內(nèi)存中。

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

最后，它還會(huì)設(shè)置CPU的控制寄存器CR0（也稱機(jī)器狀態(tài)字），從而進(jìn)入32位保護(hù)模式運(yùn)行，并跳轉(zhuǎn)到絕對(duì)地址為0x100000（虛擬地址0xC0000000+0x100000）的位置。當(dāng)CPU跳到0x100000時(shí)，將執(zhí)行“arch/i386/kernel/head.S”中的startup_32。

（3）head.S階段。

當(dāng)運(yùn)行到head.S時(shí)，系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行在保護(hù)模式，而head.S完成的一個(gè)重要任務(wù)就是將內(nèi)核解壓。內(nèi)核是通過壓縮的方式放在內(nèi)存中的，head.S通過調(diào)用misc.c中定義的decompress_kernel()函數(shù)，將內(nèi)核vmlinuz解壓到0x100000。

接下來head.S程序完成寄存器、分頁表的初始化工作，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(zhuǎn)到start_kernel()函數(shù)中去了。

（4）main.c階段。

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

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

2.2.3init階段

在加載了內(nèi)核之后，由內(nèi)核執(zhí)行引導(dǎo)的第一個(gè)進(jìn)程是init進(jìn)程，該進(jìn)程號(hào)始終是“1”。init進(jìn)程根據(jù)其配置文件“/etc/inittab”主要完成系統(tǒng)的一系列初始化的任務(wù)。由于該配置文件是init進(jìn)程執(zhí)行的惟一依據(jù)，因此先對(duì)它的格式進(jìn)行統(tǒng)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(biāo)識(shí)符，由1～4個(gè)字符組成，對(duì)于getty或mingetty等其他login程序項(xiàng)，要求id與tty的編號(hào)相同，否則getty程序?qū)⒉荒苷９ぷ鳌?/p>

（2）runlevels。

runlevels是運(yùn)行級(jí)別記錄符，一般使用0～6以及S和s。其中，0、1、6運(yùn)行級(jí)別為系統(tǒng)保留：0作為shutdown動(dòng)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文件，因此也不在inittab中出現(xiàn)。7～9級(jí)別也是可以使用的，傳統(tǒng)的UNIX系統(tǒng)沒有定義這幾個(gè)級(jí)別。

runlevel可以是并列的多個(gè)值，對(duì)大多數(shù)action來說，僅當(dāng)runlevel與當(dāng)前運(yùn)行級(jí)別匹配成功才會(huì)執(zhí)行。

（3）action。

action字段用于描述系統(tǒng)執(zhí)行的特定操作，它的常見設(shè)置有：initdefault、sysinit、boot、bootwait、respawn等。

initdefault用于標(biāo)識(shí)系統(tǒng)缺省的啟動(dòng)級(jí)別。當(dāng)init由內(nèi)核激活以后，它將讀取inittab中的initdefault項(xiàng)，取得其中的runlevel，并作為當(dāng)前的運(yùn)行級(jí)別。如果沒有inittab文件，或者其中沒有initdefault項(xiàng)，init將在控制臺(tái)上請(qǐng)求輸入runlevel。

sysinit、boot、bootwait等action將在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)無條件運(yùn)行，忽略其中的runlevel。

respawn字段表示該類進(jìn)程在結(jié)束后會(huì)重新啟動(dòng)運(yùn)行。

（4）process。

process字段設(shè)置啟動(dòng)進(jìn)程所執(zhí)行的命令。

以下結(jié)合筆者系統(tǒng)中的inittab配置文件詳細(xì)講解該配置文件完成的功能。

1．確定用戶登錄模式

在“/etc/inittab”中列出了如下所示的登錄模式，主要有單人維護(hù)模式、多用戶無網(wǎng)絡(luò)模式、文字界面多用戶模式、X-Windows多用戶模式等。其中的單人維護(hù)模式（runlevel為1）類似于Windows中的“安全模式”，在這種情況下，系統(tǒng)不加載復(fù)雜的模式從而使系統(tǒng)能夠正常啟動(dòng)。在這些模式中最為常見的是3或5，其中本系統(tǒng)中默認(rèn)的為5，也就是X-Windows多用戶模式。以下是在“/etc/inittab”文件中設(shè)置系統(tǒng)啟動(dòng)模式的部分。

#Defaultrunlevel.TherunlevelsusedbyRHSare:

#0-halt(DoNOTsetinitdefaulttothis)

#1-Singleusermode

#2-Multiuser,withoutNFS(Thesameas3,ifyoudonothavenetworking)

#3-Fullmultiusermode（文本界面啟動(dòng)模式）

#4-unused

#5-X11（圖形界面啟動(dòng)模式）

#6-reboot(DoNOTsetinitdefaulttothis)

#

id:5:initdefault:

2．執(zhí)行/etc/rc.d/rc.sysinit

在確定了登錄模式之后，就要開始將Linux的主機(jī)信息讀入系統(tǒng)，其過程是通過運(yùn)行“/etc/rc.d/rc.sysinit”腳本而完成的。查看此文件可以看出，在這里確定了默認(rèn)路徑、主機(jī)名稱、“/etc/sysconfig/network”中所記錄的網(wǎng)絡(luò)信息等。以下是在“/etc/inittab”文件中運(yùn)行該腳本的部分。

#Systeminitialization.

si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

3．加載內(nèi)核的外掛模塊，執(zhí)行各運(yùn)行級(jí)別的腳本以及進(jìn)入用戶登錄界面

在此，主要是讀取模塊加載配置文件（/etc/modules.conf），以確認(rèn)需要加載哪些模塊。接下來會(huì)根據(jù)不同的運(yùn)行級(jí)（runlevel），通過帶參數(shù)（運(yùn)行級(jí)）運(yùn)行“/etc/rc.d/rc”腳本，加載不同的模塊，啟動(dòng)系統(tǒng)服務(wù)。init進(jìn)程會(huì)等待（wait）“/etc/rc.d/rc”腳本的返回。系統(tǒng)還需要配置一些異常關(guān)機(jī)的處理部分，最后通過“/sbin/mingetty”打開幾個(gè)虛擬終端（tty1~tty6），用于用戶登錄。如果運(yùn)行級(jí)為5（圖形界面啟動(dòng)），則運(yùn)行xdm程序，給用戶提供xdm圖形界面的登錄方式。如果在本地打開一個(gè)虛擬終端，當(dāng)這個(gè)終端超時(shí)沒有用戶登錄或者太久沒有用戶擊鍵時(shí)，該終端會(huì)退出執(zhí)行，腳本中的“respawn”即告訴init進(jìn)程重新打開該終端，否則在經(jīng)過一段時(shí)間之后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)終端消失了，無法利用ALT+Fn切換。

以下是“/etc/inittab”文件中的相應(yīng)部分。

l0:0:wait:/etc/rc.d/rc0

l1:1:wait:/etc/rc.d/rc1

l2:2:wait:/etc/rc.d/rc2

l3:3:wait:/etc/rc.d/rc3

l4:4:wait:/etc/rc.d/rc4

l5:5:wait:/etc/rc.d/rc5

l6:6:wait:/etc/rc.d/rc6

#TrapCTRL-ALT-DELETE

ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown-t3-rnow

#WhenourUPStellsuspowerhasfailed,assumewehaveafewminutes

#ofpowerleft.Scheduleashutdownfor2minutesfromnow.

#Thisdoes,ofcourse,assumeyouhavepowerdinstalledandyour

#UPSconnectedandworkingcorrectly.

pf::powerfail:/sbin/shutdown-f-h+2"PowerFailure;SystemShuttingDown"

#Ifpowerwasrestoredbeforetheshutdownkickedin,cancelit.

pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown-c"PowerRestored;ShutdownCancelled"

#Rungettysinstandardrunlevels

1:2345:respawn:/sbin/mingettytty1

2:2345:respawn:/sbin/mingettytty2

3:2345:respawn:/sbin/mingettytty3

4:2345:respawn:/sbin/mingettytty4

5:2345:respawn:/sbin/mingettytty5

6:2345:respawn:/sbin/mingettytty6

#Runxdminrunlevel5

x:5:respawn:/etc/X11/prefdm-nodaemon