本文以RedHat9.0和i386平台为例,剖析了从用户打开电源直到屏幕出现命令行提示符的整个Linux启动过程。并且介绍了启动中涉及到的各种文件。
|4s`;4c& gr")Jw7 阅读Linux源代码,无疑是深入学习Linux的最好方法。在本文对Linux启动过程的介绍中,我们也尝试从源代码的视角来更深入的剖析Linux的启动过程,所以其中也简单涉及到部分相关的Linux源代码,Linux启动这部分的源码主要使用的是C语言,也涉及到了少量的汇编。而启动过程中也执行了大量的shell(主要是bash shell)所写脚本。为了方便读者阅读,笔者将整个Linux启动过程分成以下几个部分逐一介绍,大家可以参考下图:
r&t)%R@q HrZ\=1RB 当用户打开PC的电源,BIOS开机自检,按BIOS中设置的启动设备(通常是硬盘)启动,接着启动设备上安装的引导程序lilo或grub开始引导Linux,Linux首先进行内核的引导,接下来执行init程序,init程序调用了rc.sysinit和rc等程序,rc.sysinit和rc当完成系统初始化和运行服务的任务后,返回init;init启动了mingetty后,打开了终端供用户登录系统,用户登录成功后进入了Shell,这样就完成了从开机到登录的整个启动过程。
ymLhSF][ 6{r^3Hz .Z"p'v yEe4{j$ 下面就将逐一介绍其中几个关键的部分:
UldG0+1d s]=s| ;h"?h*}m!\ ~"+Fp&[9f 第一部分:内核的引导(核内引导)
v"6ijk&( j&.MT@ Red Hat9.0可以使用lilo或grub等引导程序开始引导Linux系统,当引导程序成功完成引导任务后,Linux从它们手中接管了CPU的控制权,然后CPU就开始执行Linux的核心映象代码,开始了Linux启动过程。这里使用了几个汇编程序来引导Linux,这一步泛及到Linux源代码树中的“arch/i386/boot”下的这几个文件:bootsect.S、setup.S、video.S等。
AZCbUkq )TBG-<wt 其中bootsect.S是生成引导扇区的汇编源码,它完成加载动作后直接跳转到setup.S的程序入口。setup.S的主要功能就是将系统参数(包括内存、磁盘等,由BIOS返回)拷贝到特别内存中,以便以后这些参数被保护模式下的代码来读取。此外,setup.S还将video.S中的代码包含进来,检测和设置显示器和显示模式。最后,setup.S将系统转换到保护模式,并跳转到 0x100000。
\e/'d~F 9j[%Y? 那么0x100000这个内存地址中存放的是什么代码?而这些代码又是从何而来的呢?
/v1Rn*VF! D$RQD{* 0x100000这个内存地址存放的是解压后的内核,因为Red Hat提供的内核包含了众多驱动和功能而显得比较大,所以在内核编译中使用了“makebzImage”方式,从而生成压缩过的内核,在RedHat中内核常常被命名为vmlinuz,在Linux的最初引导过程中,是通过"arch/i386/boot/compressed/"中的head.S利用misc.c中定义的decompress_kernel()函数,将内核vmlinuz解压到0x100000的。
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1r"-%(r ^p0BeSRiy; 当CPU跳到0x100000时,将执行"arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32,它也是vmlinux的入口,然后就跳转到start_kernel()中去了。start_kernel()是"init/main.c"中的定义的函数,start_kernel()中调用了一系列初始化函数,以完成kernel本身的设置。start_kernel()函数中,做了大量的工作来建立基本的Linux核心环境。如果顺利执行完start_kernel(),则基本的Linux核心环境已经建立起来了。
FasA f(3 iraO/KhD*3 在start_kernel()的最后,通过调用init()函数,系统创建第一个核心线程,启动了init过程。而核心线程init()主要是来进行一些外设初始化的工作的,包括调用do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化。并完成文件系统初始化和root文件系统的安装。
bS+by'Ea1W Et=N`k_gO 当do_basic_setup()函数返回init(),init()又打开了/dev/console设备,重定向三个标准的输入输出文件stdin、stdout和stderr到控制台,最后,搜索文件系统中的init程序(或者由init=命令行参数指定的程序),并使用 execve()系统调用加载执行init程序。到此init()函数结束,内核的引导部分也到此结束了。
FSqS]6b3 .`OdnLGy 第二部分:运行init
=_`4HDr ]&3UF? Gv!*
Qk4 &r6VF/ init的进程号是1,从这一点就能看出,init进程是系统所有进程的起点,Linux在完成核内引导以后,就开始运行init程序,。init程序需要读取配置文件/etc/inittab。inittab是一个不可执行的文本文件,它有若干行指令所组成。在Redhat系统中,inittab的内容如下所示(以“###"开始的中注释为笔者增加的):
k@eU #c5c Mlp[xk| #
' [fo # inittab This file describes how the INIT process should set up
XQu~/{A= # the system in a certain run-level.
fL8+J]6A6 #
p*rBT,' # Author: Miquel van Smoorenburg, <
miquels@drinkel.nl.mugnet.org>
uhFj|r$$ # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
AWP CJmr #
vmW4 3K; s fxQ # Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
<aR8fU # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
;K:)R_H # 1 - Single user mode
aZYa<28?L% # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
i51~/
R # 3 - Full multiuser mode
&P%3'c}G # 4 - unused
r[zxb0YA # 5 - X11
W^W^5-'"D, # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
>ln% 3= #
(63_ ###表示当前缺省运行级别为5(initdefault);
M`ETH8Su= id:5:initdefault:
;f7(d\=y
&UUIiQm~ ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
1pC!F ;9Oo # System initialization.
Bl-nS{9" si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
DKCPi 0 VpJ/M(UD- l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
euS"C* l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
(xJ6: u l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
aD,sx#g0 l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
&inu mc l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
8H3|i7.1h ###当运行级别为5时,以5为参数运行/etc/rc.d/rc脚本,init将等待其返回(wait)
@eN x:} l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
)eNR4nF l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
?5nF` [rx e%&2tf4 ###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
SUXRWFl # Trap CTRL-ALT-DELETE
T^8t<S@` ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
iK6L\'k nsqs*$ # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes
N.C<Mo # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
zR/d:P? # This does, of course, assume you have powerd installed and your
'H2TwSbIXI # UPS connected and working correctly.
iIq='xwa9 pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
mHo}, | .Y!*6I # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
+$_W4lf|E2 pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
FFl[[(`%D <J@Y=#G$2 ###在2、3、4、5级别上以ttyX为参数执行/sbin/mingetty程序,打开ttyX终端用于用户登录,
W6D|Rr.q ###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)
+?n81|7` # Run gettys in standard runlevels
1vBR\!d?7 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
l;:
L0((' 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
'D8WNZ8Q 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
w1/pwzn 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
QF(.fq8, U 5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
|k:MXI 6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
gk\IivPb 3hr&