linux內(nèi)核啟動流程總結.docx

X86體系結構內(nèi)核啟動分析一、硬件檢測當機器加電后它首先執(zhí)行BIOS(基本輸入輸出系統(tǒng))中的代碼，BIOS首先執(zhí)行加電自檢程序(POST)，當自檢通過程便完成了硬件的啟動。當自檢完成后 BIOS按照系統(tǒng)COMS中設置的啟動順序搜尋有效的啟動驅動器(這里我們以硬盤為例)，并讀入系統(tǒng)引導扇區(qū)，并將系統(tǒng)控制權交給引導程序。二、加載和執(zhí)行引導程序系統(tǒng)引導程序主要是把系統(tǒng)內(nèi)核裝載到內(nèi)存，啟動盤必須在第一個邏輯磁道上包含引導記錄。這512個字節(jié)的扇區(qū)又被稱作是引導扇區(qū)，在系統(tǒng)完成加電自檢后， BIOS從啟動盤中將引導扇區(qū)讀入到內(nèi)存中。一旦引導記錄加載完畢，BIOS就交出系統(tǒng)的執(zhí)行控制權，跳轉到引導程序的頭部執(zhí)行。有關linux pc的引導程序lilo和grub，lilo和grub可以引導多個系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)上，最常見的bootloader是UBOOT，如果機器上要裝多系統(tǒng)的話一般都會用到它們，這一引導程序也儲存在引導扇區(qū)中或者存放在主引導記錄中(MBR)，lilo和grub都許允用戶自己配置，它們在系統(tǒng)安裝時建立了關于系統(tǒng)內(nèi)核占用磁盤數(shù)據(jù)塊的位置對照表。比如，grub程序就非常強大。Gurb運行后，將初始化設置內(nèi)核運行所需的環(huán)境。然后加載內(nèi)核鏡像。grub磁盤引導全過程：stage1: grub讀取磁盤第一個512字節(jié)（硬盤的0道0面1扇區(qū)，被稱為MBR（主引導記錄）,也稱為bootsect）。MBR由一部分bootloader的引導代碼、分區(qū)表和魔數(shù)三部分組成。stage1_5: 識別各種不同的文件系統(tǒng)格式。這使得grub識別到文件系統(tǒng)。stage2: 加載系統(tǒng)引導菜單(/boot/grub/menu.lst或grub.lst 根據(jù)grub版本不同文件位置會有所不同)，加載內(nèi)核vmlinuz和RAM磁盤initrd。有時候基本引導裝載程序(stage1)不能識別stage2所在的文件系統(tǒng)分區(qū),那么這時候就需要stage1.5來連接stage1和stage2了假設有如下grub配置代碼root (hd0,0)/grub分區(qū)kernel /vmlinuz2.6.35.1074.fc14.i686 ro root=/dev/ram0/linux分區(qū)initrd /initramfs2.6.35.1074.fc14.i686.img要搞清楚上面兩個root的關系,root (hd0,0)中的root是grub命令,它用來指定boot所在的分區(qū)作為grub的根目錄.而root=/dev/ram0是kernel的參數(shù),它告訴操作系統(tǒng)內(nèi)核加載完畢之后,真實的文件系統(tǒng)所在的設備.要注意grub的根目錄和文件系統(tǒng)的根目錄的區(qū)別。kernel命令用來指定內(nèi)核所在的位置,/代表(hd0,0),也就是grub的根目錄initrd命令用來指定初始化ram的img文件所在位置。三、內(nèi)核啟動內(nèi)核映像文件vmlinuz：包含有l(wèi)inux內(nèi)核的靜態(tài)鏈接的可執(zhí)行文件，傳統(tǒng)上，vmlinux被稱為可引導的內(nèi)核鏡像。vmlinuz是vmlinux的壓縮文件。其構成如下：（1）第一個512字節(jié)（以前是在arch/i386/boot/bootsect.S）（2）第二個，一段代碼，若干個不多于512字節(jié)的段（以前是在arch/i386/boot/setup.S）（3）保護模式下的內(nèi)核代碼(在arch/x86/boot/main.c)。bzImage文件：使用make bzImage命令編譯內(nèi)核源代碼，可以得到采用zlib算法壓縮的zImage文件，即bigzImage文件。老的zImage解壓縮內(nèi)核到低端內(nèi)存，bzImage則解壓縮內(nèi)核到高端內(nèi)存（1M（0x100000）以上），在保護模式下執(zhí)行。bzImage文件一般包含有vmlinuz、bootsect.o、setup.o、解壓縮程序misc.o、以及其他一些相關文件（如piggy.o）。注意，在Linux 2.6內(nèi)核中，bootsect.S和setup.S被整合為header.S。initramfs(或initrd)文件：initrd是initialized ram disk的意思。主要用于加載硬件驅動模塊，輔助內(nèi)核的啟動，掛載真正的根文件系統(tǒng)。裝載Linux內(nèi)核的第一步應該是加載實模式代碼（boot sector和setup代碼），grub就會把實模式代碼setup加載到0x07C00之上的某個地址上，其中setup的前512個字節(jié)是boot sector（引導扇區(qū)），現(xiàn)在這個引導扇區(qū)的作用并不是用來引導系統(tǒng)，而是為了兼容及傳遞一些參數(shù)。之后grub跳轉到setup的入口點，入口點為_start例程(根據(jù)arch/x86/boot/setup.ld可知)。然后setup最后跳到arch/x86/boot/main.c再經(jīng)過一系列的跳轉，跳到start_kernel()函數(shù)，這是Linux內(nèi)核的啟動函數(shù)。main.c文件是整個Linux內(nèi)核的中央聯(lián)結點。每種體系結構都會執(zhí)行一些底層設置函數(shù)，然后執(zhí)行名為start_kernel的函數(shù)（在init/main.c中可以找到這個函數(shù)）?？梢哉J為main.c是內(nèi)核的“粘合劑（glue）”,之前執(zhí)行的代碼都是各種體系結構相關的代碼，一旦到達start_kernel()，就與體系結構無關了。start_kernel()會調(diào)用一系列初始化函數(shù)來設置中斷，執(zhí)行進一步的內(nèi)存配置，解析內(nèi)核命令行參數(shù)。然后調(diào)用fs/dcache.c:vfs_caches_init()-fs/namespace.c:mnt_init()創(chuàng)建基于內(nèi)存的rootfs文件系統(tǒng)（是一個虛擬的內(nèi)存文件系統(tǒng)，稱為VFS），這是系統(tǒng)初始化時的根結點，即/結點，后面VFS會指向真實的文件系統(tǒng)。fs/namespace.c:mnt_init()會調(diào)用fs/ramfs/inode.c:init_rootfs()會調(diào)用fs/filesystems.c:register_filesystem()注冊rootfs。然后fs/namespace.c:init_mount_tree()調(diào)用fs/super.c:do_kern_mount()在內(nèi)核中掛載rootfs，調(diào)用fs/fs_struct.c:set_fs_root()將當前的rootfs文件系統(tǒng)配置為根文件系統(tǒng)。此時rootfs里只有根目錄。為什么不直接把真實的文件系統(tǒng)配置為根文件系統(tǒng)？答案很簡單，內(nèi)核中沒有真實根文件系統(tǒng)設備（如硬盤，USB）的驅動，而且即便你將根文件系統(tǒng)的設備驅動編譯到內(nèi)核中，此時它們還尚未加載，實際上所有內(nèi)核中的驅動是由后面的kernel_init線程進行加載。另外，我們的root設備都是以設備文件的方式指定的，如果沒有根文件系統(tǒng)，設備文件怎么可能存在呢？start_kernel()在最后會調(diào)用rest_init()，這個函數(shù)會啟動一個內(nèi)核線程來運行kernel_init()，自己則調(diào)用cpu_idle()進入空閑循環(huán)，讓調(diào)度器接管控制權。搶占式的調(diào)度器就可以周期性地接管控制權，從而提供多任務處理能力。kernel_init()用于完成初始化rootfs、加載內(nèi)核模塊、掛載真正的根文件系統(tǒng)。（因為已經(jīng)初始化了rootfs，而且還加載了內(nèi)核模塊，所以可以找到設備如硬盤、內(nèi)存，然后就可以把分區(qū)設置為根設備，并在根設備上掛載文件系統(tǒng)）掛載完真正的根文件系統(tǒng)后，goto到out，將掛載點從當前目錄移到/，并把/作為系統(tǒng)的根目錄，至此虛擬文件系統(tǒng)切換到了實際的根文件系統(tǒng)。目前2.6的kernel支持三方式來掛載最終的根文件系統(tǒng)：（1）所有需要的設備和文件系統(tǒng)驅動被編譯進內(nèi)核，沒有initrd。通過“root=參數(shù)指定的根設備，init/main.c:kernel_init()將調(diào)用prepare_namespace()直接在指定的根設備上掛載最終的根文件系統(tǒng)。通過可選的init=選項，還可以運行用戶指定的init程序。（2）一些設備和文件驅動作為模塊來構建并存放的initrd中。initrd被稱為ramdisk，是一個獨立的小型文件系統(tǒng)。它需要包含/linuxrc程序（或腳本），用于加載這些驅動模塊，并掛載最終的根文件系統(tǒng)（這個根文件系統(tǒng)在pc平臺存放在硬盤上，結合使用pivot_root系統(tǒng)調(diào)用），然后initrd被卸載。initrd由prepare_namespace()掛載和運行。內(nèi)核必須要使用CONFIG_BLK_DEV_RAM（支持ramdisk）和CONFIG_BLK_DEV_INITRD（支持initrd）選項進行編譯才能支持initrd。（方法1只掛載了一次文件系統(tǒng)，而這個方法掛載了兩次）initrd文件通過在grub引導時用initrd命令指定。它有兩種格式，一種是類似于linux2.4內(nèi)核使用的傳統(tǒng)格式的文件系統(tǒng)鏡像，稱之為imageinitrd，它的制作方法同Linux2.4內(nèi)核的initrd一樣，其核心文件就是 /linuxrc。另外一種格式的initrd是cpio格式的，這種格式的initrd從linux 2.5起開始引入，使用cpio工具生成，其核心文件不再是/linuxrc，而是/init，這種 initrd稱為cpioinitrd。為了向后兼容，linux2.6內(nèi)核對cpioinitrd和imageinitrd這兩種格式的initrd 均支持，但對其處理流程有著顯著的區(qū)別。cpioinitrd的處理與initramfs類似，會直接跳過prepare_namespace(),imageinitrd的處理則由prepare_namespace()進行。（3）使用initramfs。prepare_namespace()調(diào)用會被跳過。這意味著必須有一個程序來完成這些工作。這個程序是通過修改usr/gen_init_cpio.c的方式，或通過新的initrd格式（一個cpio歸檔文件）存放在initramfs中的，它必須是/init。這個程序負責prepare_namespace()所做的所有工作。為了保持向后兼容，在現(xiàn)在的內(nèi)核中，/init程序只有是來自cpio歸檔的情況才會被運行。如果不是來自cpio歸檔，init/main.c:kernel_init()將運行prepare_namespace()來掛載最終的根文件系統(tǒng)，并運行一個預先定義的init程序（或者是用戶通過init=指定的，或者是/sbin/init，/etc/init，/bin/init）。initramfs是從2.5 kernel開始引入的一種新的實現(xiàn)機制。顧名思義，initramfs只是一種RAM filesystem而不是disk。initramfs實際是一個包含在內(nèi)核映像內(nèi)部的cpio歸檔，啟動所需的用戶程序和驅動模塊被歸檔成一個文件。因此，不需要cache，也不需要文件系統(tǒng)。 編譯2.6版本的linux內(nèi)核時，編譯系統(tǒng)總會創(chuàng)建initramfs，然后通過連接腳本archx86kernelvmlinux.lds.S把它與編譯好的內(nèi)核連接成一個文件，它被鏈接到地址_initramfs_start_initramfs_end處。內(nèi)核源代碼樹中的usr目錄就是專門用于構建內(nèi)核中的initramfs的。缺省情況下，initramfs是空的，X86架構下的文件大小是134個字節(jié)。實際上它的含義就是：在內(nèi)核鏡像中附加一個cpio包，這個cpio包中包含了一個小型的文件系統(tǒng)，當內(nèi)核啟動時，內(nèi)核將這個cpio包解開，并且將其中包含的文件系統(tǒng)釋放到rootfs中，內(nèi)核中的一部分初始化代碼會放到這個文件系統(tǒng)中，作為用戶層進程來執(zhí)行。這樣帶來的明顯的好處是精簡了內(nèi)核的初始化代碼，而且使得內(nèi)核的初始化過程更容易定制。注意initramfs和initrd都可以是cpio包，可以壓縮也可以不壓縮。但initramfs是包含在內(nèi)核映像中的，作為內(nèi)核的一部分存在，因此它不會由bootloader（如grub）單獨地加載，而initrd是另外單獨編譯生成的，是一個獨立的文件,會由bootloader單獨加載到RAM中內(nèi)核空間以外的地址處。目前initramfs只支持cpio包格式，它會被populate_rootfsunpack_to_rootfs(&_initramfs_start, &_initramfs_end &_initramfs_start, 0)函數(shù)解壓、解析并拷貝到根目錄。initramfs被解析處理后原始的cpio包(壓縮或非壓縮)所占的空間(&_initramfs_start &_initramfs_end)是作為系統(tǒng)的一部分直接保留在系統(tǒng)中，不會被釋放掉。而對于initrd鏡像文件，如果沒有在命令行中設置keepinitd命令，那么initrd鏡像文件被處理后其原始文件所占的空間(initrd_end initrd_start)將被釋放掉。四、啟動應用程序prepare_namspace執(zhí)行完后，真正的文件系統(tǒng)就掛載成功。轉入init_post()，它用來運行用戶空間的第一個進程，即眾所周知的init進程，在我的ubuntu下，init先讀/etc/init/下的配置文件，配置文件描述了運行級別、等，并通過從/etc/rcX.d目錄到/etc/init.d目錄的初始化腳本的鏈接來啟動與終止系統(tǒng)服務。執(zhí)行相關腳本，以完成系統(tǒng)初始化，如設置鍵盤、字體，裝載模塊，設置網(wǎng)絡等，最后運行登錄程序，出現(xiàn)登錄界面。運行用戶空間中的init進程可能是以下幾種情況：（1）noinitrd方式，則直接運行用戶空間中的/sbin/init（或/etc/init,/bin/init），作為第一個用戶進程。（2）傳統(tǒng)的imageinitrd方式。運行的第一個程序是/linuxrc腳本，由它來啟動用戶空間中的init進程。（3）cpioinitrd和initramfs方式。運行的第一個程序是/init腳本，由它來啟動用戶空間中的init進程?？偟膩碚f，x86架構的Linux內(nèi)核啟動過程分為6大步，分別為：（1）實模式的入口函數(shù)_start()：在header.S中，這里會進入眾所周知的main函數(shù)，它拷貝bootloader的各個參數(shù)，執(zhí)行基