Linux 系统启动过程详解

以RedHat9.0和i386平台为例----

BIOS

第一步：PC在上电以后，CPU从地址FFFF:0000开始执行(这个地址在ROM BIOS中，ROM BIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中)，无论是Award BIOS还是AMI BIOS，这里只是一条跳转指令，跳到系统BIOS中真正的启动代码处。

第二步： BIOS的首先进行POST（Power－On Self Test，加电后自检），检测系统中一些关键设备是否存在和能否正常工作，例如内存和显卡等设备。此时显卡还没有初始化，如果发现了一些致命错误，例如没有找到内存或者内存有问题（此时只会检查640K常规内存），BIOS会直接控制喇叭发声来报告错误，声音的长短和次数代表了错误的类型。

第三步：查找显卡BIOS。存放显卡BIOS的ROM芯片的起始地址通常设在C0000H处，找到后就调用它的初始化代码初始化显卡，此时多数显卡都会在屏幕上显示出一些初始化信息，介绍生产厂商、图形芯片类型等内容。接着系统BIOS会查找其它设备的BIOS，初始化其他相关的设备。

第四步：查找完所有其它设备的BIOS之后，系统BIOS将显示自己的启动画面，其中包括有系统BIOS的类型、序列号和版本号等内容。

第五步：接着系统BIOS将检测和显示CPU的类型和工作频率，测试RAM，并显示内存测试进度。

第六步：内存测试通过后， BIOS开始检测一些标准硬件设备，包括硬盘、CD－ROM、串口、并口、软驱等设备。

第七步：标准设备检测完毕后，检测和配置系统中安装的即插即用设备，每次找到设备后， BIOS都会在屏幕上显示出设备的名称和型号等，同时为设备分配中断、DMA和I/O端口等资源。

第八步：到这一步硬件检测配置完毕，多数BIOS会列出系统中安装的硬件，以及它们使用的资源和一些相关参数。

第九步：接下来更新ESCD（Extended System Configuration Data，扩展系统配置数据，ESCD是系统BIOS用来与操作系统交换硬件配置信息的一种手段，这些数据被存放在CMOS之中）。

第十步： ESCD更新完毕后，系统BIOS的启动代码将进行它的最后一项工作，即根据用户指定的启动顺序把第0道第0扇区读入内存中07C0:0000(即07C00h处)，这是IBM系列PC的特性。

GRUB启动

主引导扇区（MBR，Master Boot Record，大小为512字节）是启动设备（磁盘或者其他可引导设备，一般是第一个硬盘）的第一个扇区，并不一定只有硬盘才有。计算器上电启动时BIOS会把MBR加载到0x7C00处，然后把控制权交给它。

 

MBR组成（来自IBM官方网站）

由GRUB引导的系统，MBR的前446字节为stage1.s。它的任务是将start.s拷贝到内存中，并跳转执行。start.s位于第二个扇区（固定位置，此时还不能识别文件系统。在MBR和第一个分区之间有62个扇区--折合32k的保留空间，足够GRUB用—GRUB内核压缩后24k左右），任务是加载stage1.5，只有加载了stage1.5才能识别文件系统。stage1.5位于第三个扇区开始到约10k的位置上，此时可以识别boot目录所在的文件系统（如果boot位于/的话需识别根文件系统），找到stage2（stage2和其他的stage1.5位于/boot分区）并加载。stage2实现了一个mini OS，它采用了类似SHELL的方式来解释并运行用户设计好的脚本（/boot/grub.conf）或者接受用户输入的指令，可以灵活地引导不同的操作系统。

 

Grub中预先设置的指令是在builtins.c文件中实现的。典型的GRUB如下所示：

title Red Hat Enterprise Linux AS-up (2.6.9-11.EL)

   root (hd0,2)

   kernel /boot/vmlinuz-2.6.9-11.EL ro root=LABEL=/ rhgb quiet

   initrd /boot/initrd-2.6.9-11.EL.img

title Other

   rootnoverify (hd0,1)

   chainloader +1

如果boot是单独分区的，则如下所示：

title Fedora (2.6.24.3-50.fc8)

         root (hd0,8)

         kernel /vmlinuz-2.6.24.3-50.fc8 ro root=LABEL=/ rhgb quiet

         initrd /initrd-2.6.24.3-50.fc8.img

# title Fedora (2.6.24.3-34.fc8)

 

Root指令

指定grub的root（不是linux的OS），调用root指令的函数是builtins.c中的root_func (char *arg, int flags)。第一个参数指定了磁盘驱动器，如hd0是指第一块硬盘，第二个参数是分区号。root_func()中调用real_root_func (char *arg, int attempt_mount)，并把参数arg传给real_root_func。如果传入的arg为空，则直接使用默认驱动器。然后调用set_device()，从字符串中提取出驱动器和分区号。

 

kernel指令

调用kernel指令的函数是builtins.c文件中kernel_func (char *arg, int flags)。首先解析传进来的参数：如果有“--type=TYPE”，根据传入的参数设置suggested_type变量，然后把内核的文件路径赋值给mb_cmdline变量，然后通过load_image()函数载入核心，并且返回核心的类型。如果返回的核心类型是grub不支持得类型，即kernel_type == KERNEL_TYPE_NONE返回1，成功则返回0。root=LABEL=/的意思是使用标签为/的分区作为root分区。

 

Initrd指令

调用kernel指令的函数是builtins.c文件中initrd_func (char *arg, int flags)，用于指定initrd（initial RAM disk）文件。initrd是在系统引导过程中挂载的一个临时根文件系统，与内核绑定在一起，并作为内核引导过程的一部分进行加载。initrd文件中包含了各种可执行程序和驱动程序，它可以用来挂载实际的根文件系统，然后再将这个 initrd RAM卸载，并释放内存。在很多嵌入式Linux 系统中，initrd就是最终的根文件系统。

 

Rootnoverify指令

设置GRUB的主设备指向一个扇区。

 

chainloader

'+1'表明GRUB需要从起始分区读一个扇区（即引导记录）。

 

boot指令

调用boot指令的函数是在builtins.c文件中的boot_func (char *arg, int flags)函数。如果核心类型已知，则调用unset_int15_handler()函数，接着根据grub操作系统调用相应的启动程序。如果启动的内核为BSD则调用bsd_boot ()函数；如果启动的内核为LINUX则调用linux_boot()函数，如果链式启动，则调用chain_stage1()函数；如果多重启动则调用multi_boot()函数。

 

注：有的MBR（非GRUB，如BSD）先把自己复制到0x0600处（为什么0x0600呢？按照dos的传统：0x0 - 0x3ff 用于中断向量表；0x400 - 0x4ff 用于 bios数据区；0x500用于BIOS Print Screen；  0x501-0x5ff可能用于不同版本的MS-DOS），然后在磁盘中找到活动分区。如果活动分区存在则将这个分区的第一个扇区（bootsect）加载到0x7C00处，并将控制权交给它（bootsect一般是在某一个分区里，而MBR是磁盘或者其他可引导设备的第一个扇区，这个就是所谓的区别）。

Linux操作系统引导

接上文，linux_boot最终将跳转到linux的入口代码bootsect.S（位于“arch/i386/boot”），开始初始化过程。bootsect.S主要做以下工作：

1.      把自己从0x7c00拷贝到0x9000：0，共512Bytes。（为什么拷贝呢？后面setup.S会把内核拷贝到0x10000-64k，加上最初假设内核小于512k，所以最小的可用地址为0x90000。这里的0x9000：0为地址0x90000，以后雷同）

2.      在RAM中创建新的磁盘参数表（最大扇区数36，ED2.88驱动器支持的最大值），重新启动磁盘控制器，使磁盘参数设置生效

3.      把setup从第2扇区开始的4个扇区拷贝到0x9020：0（bootsect.S、setup.S在磁盘上连续存放）

4.      从BIOS获得磁盘扇区数（如果没有则36，18，15，9依次测试），接下来读取光标的位置，并打印"Loading"信息

5.      把真正的内核映像（system）从磁盘读到内存0x1000：0处（后面setup.S会把内核搬到0x0。为什么不直接读呢？因为物理地址0开始存放着BIOS中断向量表，Setup.S还需要使用BIOS中断来获取PC硬件系统的信息。此处调用的函数为：read_it，实际读取的大小为0x7F00*16=508k<512k。如果是bzImage大内核，则直接拷贝到0x100000处）。

6.      最后,跳到0x9020：0（setup.S）处执行

 

setup.S利用BIOS中断读取机器配置（同时调用video.S检测显示器和显示模式），并保存到0x9000：0（覆盖掉bootsect.S），供内核程序使用，参数和内存位置如下表：

内存地址  长度（字节）        名称          描述

0x90000    2                 光标位置       列号，行号

0x90002    2                 扩展内存数     系统从1M开始的扩展内存数量

0x90004    2                 显示页面       当前显示页面

0x90006    1                 显示模式

0x90007    1                 字符列数

0x90008    2                 

0x9000A     1                  显示内存       0x0-64K,0x1-128K,0x02-192K,0x03=256K

0x9000B    1                 显示状态       彩色还是单色

0x9000C    2                  特性参数       显卡特性参数

……

0x90080    16                硬盘参数表   第一个硬盘参数表

0x90090    16                硬盘参数表   第二个硬盘参数表（如果没有，清零）

 

然后内核禁止中断，将自己（小于512k）从0x1000移至0x0处，设置gdt和idt，开启A20地址线（使能1M以上内存）、重新设置两个中断控制芯片8259A，最后设置CPU的控制寄存器CR0，进入32位保护模式，并跳转到0x1000即arch/i386/boot/compressed/head.S中的startup_32()（对bzImage是 0x100000）。

 

head.S

然后调用decompress_kernel()解压内核映像，首先显示"Uncompressing Linux..."，解压完后显示 "OK, booting the kernel."。内核解压后的映像被放置到0x100000（arch/i386/kernel/head.S文件中的startup_32()，因为通过物理地址跳转，相同的函数名没有问题）。

Setup.S结束后内存布局

 

函数startup_32()为linux的入口，它为Linux第一个进程设定环境，IDT、GDT和LDT被装入，处理器初始化完毕，初始化内存页表，进入分页方式，最终调用start_kernel()。

 

start_kernel()

在"init/main.c"中定义，是系统第一个C语言函数。它调用一系列初始化函数，以完成kernel环境的设置。在函数最后，调用 init()函数，创建第一个进程。

　   1) 调度器初始化，调用sched_init()；

　　2) 调用build_all_zonelists函数初始化内存区；

　　3) 调用page_alloc_init()和mem_init()初始化伙伴系统分配器；

　　4) 调用trap_init()和init_IRQ()对中断控制表IDT进行最后的初始化；

　　5) 调用softirq_init()初始化TASKLET_SOFTIRQ和HI_SOFTIRQ；

　　6) 调用Time_init()对系统日期和时间进行初始化；

　　7) 调用kmem_cache_init()初始化slab分配器；

　　8) 调用calibrate_delay()计算CPU时钟频率；

　　9) 调用rest_init() -> kernel_thread(kernel_init…)启动 init 内核线程(以前的版本为init)。Kernel_thread设置入口地址和段寄存器后，调用do_fork获取task_struct和pid，创建内核线程（没有用户栈空间，其pid为1）。(内核从2.6.22开始，rest_init()除了创建线程kernel_init以外，还创建kthreadd线程－pid为2。根据以前的说法 init 进程1是除进程0以外的所有进程的父进程，因为除了进程0外，其他进程都是init进程或其子进程不断fork出来的。当一个进程的父进程结束时，这个进程变成孤儿进程，孤儿进程的父进程也是init进程。2.6.22 及以后，很多内核线程由kthreadd线程create_kthread出来，所以’ps –ef’显示的父进程PID为2。)

 

kernel_init() 主要做以下三部分工作：

do_pre_smp_initcalls(); //调用__initcall_start到__early_initcall_end函数

do_basic_setup();

driver_init();   //device, bus, class, firmware, hypervisor, platform_bus,

//system_bus, cpu/memory

init_irq_proc();//

do_initcalls()            //调用从__early_initcall_end到__initcall_end的函数

init_post() -> run_init_process("/sbin/init"); //调用kernel_execve启动系统调用，从而切换成init用户进程，因为直接切换所以不会回来继续执行。

 

内核中与initcall有关的代码如下（include/linux/init.h）：

#define __define_initcall(level,fn,id) \

         static initcall_t __initcall_##fn##id __used \

         __attribute__((__section__(".initcall" level ".init"))) = fn

 

/* Early initcalls run before initializing SMP. Only for built-in code, not modules. */

#define early_initcall(fn)                 __define_initcall("early",fn,early)

 

/* A "pure" initcall has no dependencies on anything else, and purely initializes variables that couldn't be statically initialized. This only exists for built-in code, not for modules. */

#define pure_initcall(fn)                  __define_initcall("0",fn,0)

 

#define core_initcall(fn)                  __define_initcall("1",fn,1)

#define core_initcall_sync(fn)                __define_initcall("1s",fn,1s)

#define postcore_initcall(fn)          __define_initcall("2",fn,2)

#define postcore_initcall_sync(fn)        __define_initcall("2s",fn,2s)

#define arch_initcall(fn)         __define_initcall("3",fn,3)

#define arch_initcall_sync(fn)                 __define_initcall("3s",fn,3s)

#define subsys_initcall(fn)              __define_initcall("4",fn,4)

#define subsys_initcall_sync(fn)    __define_initcall("4s",fn,4s)

#define fs_initcall(fn)                       __define_initcall("5",fn,5)

#define fs_initcall_sync(fn)             __define_initcall("5s",fn,5s)

#define rootfs_initcall(fn)               __define_initcall("rootfs",fn,rootfs)

#define device_initcall(fn)              __define_initcall("6",fn,6)

#define device_initcall_sync(fn)    __define_initcall("6s",fn,6s)

#define late_initcall(fn)          __define_initcall("7",fn,7)

#define late_initcall_sync(fn)                  __define_initcall("7s",fn,7s)

 

#define __initcall(fn) device_initcall(fn)

 

注：普通驱动程序若编入内核(不以模块方式插入)，则：

include/linux/init.h:

#define module_init(x) __initcall(x);

#define __initcall(fn) device_initcall(fn)

因此driver的入口函数都放在.initcall6.init段中。

 

Initcall中有众多的函数，有不少与驱动程序关系非常密切的，这些以后用到的时候再说。这里说一下rootfs_initcall。先看源码start_kernel() -> mnt_init():

void __init mnt_init(void)

{

……

init_rootfs();                     //注册rootfs文件系统

init_mount_tree();  // 挂载rootfs文件系统，挂载点默认为“/”。

……

}

到此rootft文件系统已经注册，后面的rootfs_initcall会填充其内容。搜索内核（2.6.31）有以下两行：

Initramfs.c (init):rootfs_initcall(populate_rootfs);

Noinitramfs.c (init):rootfs_initcall(default_rootfs);

根据内核是否支持 initrd（init/Makefile中CONFIG_BLK_DEV_RAM决定了是否支持initrd），如果不支持，则default_rootfs；如果支持则populate_rootfs。

default_rootfs：在prepare_namespace（）中调用mount_root挂载真实的文件系统，最后在init_post()中通过kernel_execve执行根文件系统中的 /sbin/init。

populate_rootfs：如果是cpio格式的initrd（压缩过的），则调用unpack_to_rootfs直接解压到之前mount的根目录上（这里两种情况：根内核编译在一起的initrd和bootloader加载的initrd。前者位于.init.ramfs段中，全局变量__initramfs_start和__initramfs_end分别指向这个数据段的起始地址和结束地址；后者由bootloader把起始地址和结束地址传递给内核，全局变量initrd_start和initrd_end分别指向其起始地址和结束地址）。如果是bootloader加载的老式块设备格式，则将initrd_start和initrd_end之间的数据拷贝到/initrd.image。后面的prepare_namespace()将会创建设备/dev/ram并加载image，然后把/dev/ram挂载到/root。若是cpio格式的，在init_post()中调用/init，启动udevd加载必要的设备驱动程序，挂载真正的根文件系统，最后执行真正的根文件系统上的initrd，启动过程就顺利的交接；若是老式块设备格式，执行里面的linuxrc挂载真实的文件系统，然后切换到新的根文件系统。

 

Initrd里面的/init脚本实际执行了以下过程：

1）加载proc, sysfs等文件系统

2）创建设备节点

3）加载必需的设备驱动

4）以只读方式挂载实际根文件系统（这是根文件系统的第一次挂载）

5）切换根目录并执行的/sbin/init (switchroot）

 

注：RAM disk是将内存中的一块区域作为物理磁盘来使用的一种技术，对于用户来说， RAM disk等同于通常的硬盘分区（如/dev/hda1）。initrd（init RAM Disk）则是一个包含了被压缩过的小型根目录的RAM disk，它含有Linux启动所必须的目录、驱动程序、可执行文件和启动脚本（如init，bin，insmod等）。initrd在实际根文件系统可用之前被挂载到系统中，initrd可使用loop设备来创建。

Sys V init初始化阶段

/sbin/init进程是所有进程的父进程，它主要做以下工作：

1）确定启动后的运行级别(id:5:initdefault:)

2）执行系统初始化脚本(si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit)，以下为其主要工作：

脚本	作用
/etc/sysconfig/network	设置主机名称及网络
Mount /proc, /proc/bus/usb, /sys	Fsck works
/etc/init.d/functions	设置环境变量如umask、PATH等，其间会调用/etc/sysconfig/init
selinux	有关SELinux的设置
/sbin/setsysfont	设置字体
显示欢迎画面（Welcome to $/etc/redhat-release）
/bin/dmesg	这里不是要显示系统信息，而是在设置系统纪录的等级高低，在此以刚刚提到的functions文件设置环境变量时的LOGLEVEL变量为基准
/sbin/start_udev	加载的相关模块
/proc/sys/kernel/modprobe	设置内核参数modprobe, hotplug
echo -n $"Initializing hardware... "
kmodule | while read devtype mod ; do modprobe $mod	加载设备驱动，IDE，SCSI，NETWORK，AUDIO等
load_module floppy	软盘
/etc/sysconfig/network-scripts	load_module $DEVICE, network
Load_module audio	音频
sysctl -e -p /etc/sysctl.conf	配置内核参数，
/etc/sysconfig/clock	设置系统时间种类，如UTC
/sbin/hwclock	设置系统时间
/etc/sysconfig/keyboard	键盘
Insmod kernel/drivers/acpi/*	激活ACPI功能
cat /fsckoptions	检查文件是否存在，决定后面是否要调用fsck检查硬盘扇区
awk '/ \/ / && ($3 !~ /rootfs/) { print $3 }' /proc/mounts	查找FOOTFSTYPE和rootdev，mount文件系统（出于安全的原因，使用ro参数），并unmount。文件系统在initcall的时候已经通过register_filesystem注册了。
/sbin/quotacheck	disk quota的检查
mount -n -o remount,rw /	重新挂载根文件系统，读写模式
/sbin/vgchange	LVM initialization
mount -f / mount -f /proc mount -f /sys mount -f /dev/pts mount -f -t usbfs usbfs /proc/bus/usb mount -f -t devfs devfs /dev	Clear mtab后， 根据fstab重新挂载文件系统（已经挂载的文件系统写入mtab）
/sbin/quotaon	local filesystem quotas
/usr/bin/rhgb	通过这个程序将图形开机画面的背景加载，这时才会有图形化的系统开机画面及开机程序的计时bar呈现在用户面前
swapon -a -e	Start up swapping
/etc/sysconfig/harddisk	Turn on harddisk optimization
/usr/bin/rhgb-client	告知系统要离开rc.sysinit，转回inittab

 

3) 以运行级别X为参数执行/etc/rc.d/rc脚本，该文件停止所有/etc/rc.d/rcX.d中K开头的服务（守护进程），并启动S开头的服务：

　　amd：自动安装NFS守护进程

　　apmd:高级电源管理守护进程

　　arpwatch：记录日志并构建一个在LAN接口上看到的以太网地址和IP地址对数据库

　　autofs：自动安装管理进程automount，与NFS相关，依赖于NIS

　　crond：Linux下的计划任务的守护进程

　　named：DNS服务器

　　netfs：安装NFS、Samba和NetWare网络文件系统

　　network：激活已配置网络接口的脚本程序

　　nfs：打开NFS服务

　　portmap：RPC portmap管理器，它管理基于RPC服务的连接

　　sendmail：邮件服务器sendmail

　　smb：Samba文件共享/打印服务

　　syslog：一个让系统引导时起动syslog和klogd系统日志守候进程的脚本

　　xfs：X Window字型服务器，为本地和远程X服务器提供字型集

　　Xinetd：支持多种网络服务的核心守护进程，可以管理wuftp、sshd、telnet等服务

4) 启动虚拟终端/sbin/mingetty

5) 如果运行级别为5，启动X11

这时呈现给用户的就是最终的登录界面。