Linux基礎命令之： Linux啟動過程詳解

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2.2??Linux啟動過程詳解

在了解了Linux的常見命令之后，下面詳細講解Linux的啟動過程。Linux的啟動過程包含了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。

2.2.1??概述

用戶開機啟動Linux過程如下：

（1）當用戶打開PC（intel?CPU）的電源時，CPU將自動進入實模式，并從地址0xFFFF0000開始自動執(zhí)行程序代碼，這個地址通常是ROM-BIOS中的地址。這時BIOS進行開機自檢，并按BIOS中設置的啟動設備（通常是硬盤）進行啟動，接著啟動設備上安裝的引導程序lilo或grub開始引導Linux（也就是啟動設備的第一個扇區(qū)），這時，Linux才獲得了啟動權(quán)。

（2）第二階段，Linux首先進行內(nèi)核的引導，主要完成磁盤引導、讀取機器系統(tǒng)數(shù)據(jù)、實模式和保護模式的切換、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)初始化和運行服務的任務后，返回init。

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

Linux啟動總體流程如圖2.2所示，其中的4個階段分別由同步棒隔開。第一階段不涉及Linux自身的啟動過程，下面分別對第二和第三階段進行詳細講解。

圖2.2??Linux啟動總體流程圖

2.2.2??內(nèi)核引導階段

在grub或lilo等引導程序成功完成引導Linux系統(tǒng)的任務后，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行閱讀，其目錄為：linux-2.6.*.*/arch/i386/boot。在啟動過程中主要用到該目錄下的幾個文件：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)核在啟動時可以對自身進行解包。

（1）bootsect階段

當grub讀入vmlinuz后，會根據(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：在以往的引導協(xié)議里是放在0x90000，但現(xiàn)在有所變化），然后grub會跳過bootsect那512字節(jié)的程序段，直接運行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ROM?BIOS中斷讀取機器系統(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中的代碼包含進來，檢測和設置顯示器和顯示模式。

最后，它還會設置CPU的控制寄存器CR0（也稱機器狀態(tài)字），從而進入32位保護模式運行，并跳轉(zhuǎn)到絕對地址為0x100000（虛擬地址0xC0000000+0x100000）的位置。當CPU跳到0x100000時，將執(zhí)行“arch/i386/kernel/head.S”中的startup_32。

（3）head.S階段。

當運行到head.S時，系統(tǒng)已經(jīng)運行在保護模式，而head.S完成的一個重要任務就是將內(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CPU用于Linux系統(tǒng)的啟動。

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。

2.2.3??init階段

在加載了內(nèi)核之后，由內(nèi)核執(zhí)行引導的第一個進程是init進程，該進程號始終是“1”。init進程根據(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。由于該配置文件是init進程執(zhí)行的惟一依據(jù)，因此先對它的格式進行統(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是配置記錄標識符，由1～4個字符組成，對于getty或mingetty等其他login程序項，要求id與tty的編號相同，否則getty程序?qū)⒉荒苷９ぷ鳌?/p>

（2）runlevels。

runlevels是運行級別記錄符，一般使用0～6以及S和s。其中，0、1、6運行級別為系統(tǒng)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文件，因此也不在inittab中出現(xiàn)。7～9級別也是可以使用的，傳統(tǒng)的UNIX系統(tǒng)沒有定義這幾個級別。

runlevel可以是并列的多個值，對大多數(shù)action來說，僅當runlevel與當前運行級別匹配成功才會執(zhí)行。

（3）action。

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

initdefault用于標識系統(tǒng)缺省的啟動級別。當init由內(nèi)核激活以后，它將讀取inittab中的initdefault項，取得其中的runlevel，并作為當前的運行級別。如果沒有inittab文件，或者其中沒有initdefault項，init將在控制臺上請求輸入runlevel。

sysinit、boot、bootwait等action將在系統(tǒng)啟動時無條件運行，忽略其中的runlevel。

respawn字段表示該類進程在結(jié)束后會重新啟動運行。

（4）process。

process字段設置啟動進程所執(zhí)行的命令。

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

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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，主要有單人維護模式、多用戶無網(wǎng)絡模式、文字界面多用戶模式、X-Windows多用戶模式等。其中的單人維護模式（run?level為1）類似于Windows中的“安全模式”，在這種情況下，系統(tǒng)不加載復雜的模式從而使系統(tǒng)能夠正常啟動。在這些模式中最為常見的是3或5，其中本系統(tǒng)中默認的為5，也就是X-Windows多用戶模式。以下是在“/etc/inittab”文件中設置系統(tǒng)啟動模式的部分。

#?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?（文本界面啟動模式）

#???4?-?unused

#???5?-?X11?（圖形界面啟動模式）

#???6?-?reboot?(Do?NOT?set?initdefault?to?this)

#?

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的主機信息讀入系統(tǒng)，其過程是通過運行“/etc/rc.d/rc.sysinit”腳本而完成的。查看此文件可以看出，在這里確定了默認路徑、主機名稱、“/etc/sysconfig/network”中所記錄的網(wǎng)絡信息等。以下是在“/etc/inittab”文件中運行該腳本的部分。

#?System?initialization.

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

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

在此，主要是讀取模塊加載配置文件（/etc/modules.conf），以確認需要加載哪些模塊。接下來會根據(jù)不同的運行級（run?level），通過帶參數(shù)（運行級）運行“/etc/rc.d/rc”腳本，加載不同的模塊，啟動系統(tǒng)服務。init進程會等待（wait）“/etc/rc.d/rc”腳本的返回。系統(tǒng)還需要配置一些異常關機的處理部分，最后通過“/sbin/mingetty”打開幾個虛擬終端（tty1~tty6），用于用戶登錄。如果運行級為5（圖形界面啟動），則運行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虛擬終端，當這個終端超時沒有用戶登錄或者太久沒有用戶擊鍵時，該終端會退出執(zhí)行，腳本中的“respawn”即告訴init進程重新打開該終端，否則在經(jīng)過一段時間之后，我們會發(fā)現(xiàn)這個終端消失了，無法利用ALT+Fn切換。

以下是“/etc/inittab”文件中的相應部分。

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