Linux启动过程综述

　　作者：杨沙洲
　　
　　文以Redhat 6.0 Linux 2.2.19 for Alpha/AXP为平台，描述了从开机到登录的 Linux 启动全过程。该文对i386平台同样适用。
　　一. Bootloader
　　在Alpha/AXP平台上引导Linux通常有两种方法，一种是由MILO及其他类似的引导程序引导，另一种是由Firmware直接引导。MILO功能与i386平台的LILO相近，但内置有基本的磁盘驱动程序（如IDE、SCSI等），以及常见的文件系统驱动程序（如ext2，iso9660等）， firmware有ARC、SRM两种形式，ARC具有类BIOS界面，甚至还有多重引导的设置；而SRM则具有功能强大的命令行界面，用户可以在控制台上使用boot等命令引导系统。ARC有分区（Partition）的概念，因此可以访问到分区的首扇区；而SRM只能将控制转给磁盘的首扇区。两种firmware都可以通过引导MILO来引导Linux，也可以直接引导Linux的引导代码。
　　
　　“arch/alpha/boot”下就是制作Linux Bootloader的文件。“head.S”文件提供了对 OSF PAL/1的调用入口，它将被编译后置于引导扇区（ARC的分区首扇区或SRM的磁盘0扇区），得到控制后初始化一些数据结构，再将控制转给“main.c”中的start_kernel()， start_kernel()向控制台输出一些提示，调用pal_init()初始化PAL代码，调用openboot() 打开引导设备（通过读取Firmware环境），调用load()将核心代码加载到START_ADDR（见 “include/asm-alpha/system.h”），再将Firmware中的核心引导参数加载到ZERO_PAGE(0) 中，最后调用runkernel()将控制转给0x100000的kernel，bootloader部分结束。
　　
　　“arch/alpha/boot/bootp.c”以“main.c”为基础，可代替“main.c”与“head.S” 生成用于BOOTP协议网络引导的Bootloader。
　　Bootloader中使用的所有“srm_”函数在“arch/alpha/lib/”中定义。
　　
　　以上这种Boot方式是一种最简单的方式，即不需其他工具就能引导Kernel，前提是按照 Makefile的指导，生成bootimage文件，内含以上提到的bootloader以及vmlinux，然后将 bootimage写入自磁盘引导扇区始的位置中。
　　
　　当采用MILO这样的引导程序来引导Linux时，不需要上面所说的Bootloader，而只需要 vmlinux或vmlinux.gz，引导程序会主动解压加载内核到0x1000（小内核）或0x100000（大内核），并直接进入内核引导部分，即本文的第二节。
　　
　　对于I386平台
　　i386系统中一般都有BIOS做最初的引导工作，那就是将四个主分区表中的第一个可引导分区的第一个扇区加载到实模式地址0x7c00上，然后将控制转交给它。
　　
　　在“arch/i386/boot”目录下，bootsect.S是生成引导扇区的汇编源码，它首先将自己拷贝到0x90000上，然后将紧接其后的setup部分（第二扇区）拷贝到0x90200，将真正的内核代码拷贝到0x100000。以上这些拷贝动作都是以bootsect.S、setup.S以及vmlinux在磁盘上连续存放为前提的，也就是说，我们的bzImage文件或者zImage文件是按照bootsect，setup， vmlinux这样的顺序组织，并存放于始于引导分区的首扇区的连续磁盘扇区之中。
　　
　　bootsect.S完成加载动作后，就直接跳转到0x90200，这里正是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 0x90000-0x901FF内存中，这个地方正是bootsect.S存放的地方，这时它将被系统参数覆盖。以后这些参数将由保护模式下的代码来读取。
　　
　　除此之外，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（对于bzImage格式的大内核是 0x100000，对于zImage格式的是0x1000）的内核引导代码，Bootloader过程结束。
　　
　　对于2.4.x版内核
　　没有什么变化。
　　
　　二.Kernel引导入口
　　
　　
　　在arch/alpha/vmlinux.lds的链接脚本控制下，链接程序将vmlinux的入口置于 "arch/alpha/kernel/head.S"中的__start上，因此当Bootloader跳转到0x100000时， __start处的代码开始执行。__start的代码很简单，只需要设置一下全局变量，然后就跳转到start_kernel去了。start_kernel()是"init/main.c"中的asmlinkage函数，至此，启动过程转入体系结构无关的通用C代码中。
　　
　　
　　对于I386平台
　　在i386体系结构中，因为i386本身的问题，在"arch/alpha/kernel/head.S"中需要更多的设置，但最终也是通过call SYMBOL_NAME(start_kernel)转到start_kernel()这个体系结构无关的函数中去执行了。

　　
　　所不同的是，在i386系统中，当内核以bzImage的形式压缩，即大内核方式（__BIG_KERNEL__）压缩时就需要预先处理bootsect.S和setup.S，按照大核模式使用$(CPP) 处理生成bbootsect.S和bsetup.S，然后再编译生成相应的.o文件，并使用 "arch/i386/boot/compressed/build.c"生成的build工具，将实际的内核（未压缩的，含 kernel中的head.S代码）与"arch/i386/boot/compressed"下的head.S和misc.c合成到一起，其中的head.S代替了"arch/i386/kernel/head.S"的位置，由Bootloader引导执行（startup_32入口），然后它调用misc.c中定义的decompress_kernel()函数，使用 "lib/inflate.c"中定义的gunzip()将内核解压到0x100000，再转到其上执行 "arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32代码。
　　
　　对于2.4.x版内核
　　没有变化。
　　
　　三.核心数据结构初始化--内核引导第一部分
　　start_kernel()中调用了一系列初始化函数，以完成kernel本身的设置。这些动作有的是公共的，有的则是需要配置的才会执行的。
　　
　　在start_kernel()函数中，
　　输出Linux版本信息（printk(linux_banner)）
　　设置与体系结构相关的环境（setup_arch()）
　　页表结构初始化（paging_init()）
　　使用"arch/alpha/kernel/entry.S"中的入口点设置系统自陷入口（trap_init()）
　　使用alpha_mv结构和entry.S入口初始化系统IRQ（init_IRQ()）
　　核心进程调度器初始化（包括初始化几个缺省的Bottom-half，sched_init()）
　　时间、定时器初始化（包括读取CMOS时钟、估测主频、初始化定时器中断等，time_init()）
　　提取并分析核心启动参数（从环境变量中读取参数，设置相应标志位等待处理，（parse_options()）
　　控制台初始化（为输出信息而先于PCI初始化，console_init()）
　　剖析器数据结构初始化（prof_buffer和prof_len变量）
　　核心Cache初始化（描述Cache信息的Cache，kmem_cache_init()）
　　延迟校准（获得时钟jiffies与CPU主频ticks的延迟，calibrate_delay()）
　　内存初始化（设置内存上下界和页表项初始值，mem_init()）
　　创建和设置内部及通用cache（"slab_cache"，kmem_cache_sizes_init()）
　　创建uid taskcount SLAB cache（"uid_cache"，uidcache_init()）
　　创建文件cache（"files_cache"，filescache_init()）
　　创建目录cache（"dentry_cache"，dcache_init()）
　　创建与虚存相关的cache（"vm_area_strUCt"，"mm_struct"，vma_init()）
　　块设备读写缓冲区初始化（同时创建"buffer_head"cache用户加速访问，buffer_init()）
　　创建页cache（内存页hash表初始化，page_cache_init()）
　　创建信号队列cache（"signal_queue"，signals_init()）
　　初始化内存inode表（inode_init()）
　　创建内存文件描述符表（"filp_cache"，file_table_init()）
　　检查体系结构漏洞（对于alpha，此函数为空，check_bugs()）
　　SMP机器其余CPU（除当前引导CPU）初始化（对于没有配置SMP的内核，此函数为空，smp_init()）
　　启动init过程（创建第一个核心线程，调用init()函数，原执行序列调用cpu_idle() 等待调度，init()）
　　至此start_kernel()结束，基本的核心环境已经建立起来了。
　　
　　
　　对于I386平台
　　i386平台上的内核启动过程与此基本相同，所不同的主要是实现方式。
　　
　　对于2.4.x版内核
　　2.4.x中变化比较大，但基本过程没变，变动的是各个数据结构的具体实现，比如Cache。
　　
　　四.外设初始化--内核引导第二部分
　　init()函数作为核心线程，首先锁定内核（仅对SMP机器有效），然后调用 do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化。过程如下：
　　
　　总线初始化（比如pci_init()）
　　网络初始化（初始化网络数据结构，包括sk_init()、skb_init()和proto_init()三部分，在proto_init()中，将调用protocols结构中包含的所有协议的初始化过程，sock_init()）
　　创建bdflush核心线程（bdflush()过程常驻核心空间，由核心唤醒来清理被写过的内存缓冲区，当bdflush()由kernel_thread()启动后，它将自己命名为kflushd）
　　创建kupdate核心线程（kupdate()过程常驻核心空间，由核心按时调度执行，将内存缓冲区中的信息更新到磁盘中，更新的内容包括超级块和inode表）
　　设置并启动核心调页线程kswapd（为了防止kswapd启动时将版本信息输出到其他信息中间，核心线调用kswapd_setup()设置kswapd运行所要求的环境，然后再创建 kswapd核心线程）
　　创建事件治理核心线程（start_context_thread()函数启动context_thread()过程，
并重命名为keventd）
　　设备初始化（包括并口parport_init()、字符设备chr_dev_init()、块设备 blk_dev_init()、SCSI设备scsi_dev_init()、网络设备net_dev_init()、磁盘初始化及分区检查等等，device_setup()）
　　执行文件格式设置（binfmt_setup()）
　　启动任何使用__initcall标识的函数（方便核心开发者添加启动函数，do_initcalls()）
　　文件系统初始化（filesystem_setup()）