Linux起动过程（详细说明）
日期：2014-05-16 浏览次数：20596 次
Linux启动过程（详细说明）
源自：http://forum.ubuntu.org.cn/viewtopic.php?t=5408
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。
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：
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。
下面就将逐一介绍其中几个关键的部分：
第一部分：内核的引导(核内引导)
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。
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。
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？
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。
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。
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。
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。
第二部分：运行init
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)：
#
# inittab This file describes how the INIT process should set up
# the system in a certain run-level.
#
# Author: Miquel van Smoorenburg, <miquels@drinkel.nl.mugnet.org>
# Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
#
# 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 havenetworking)
# 3 - Full multiuser mode
# 4 - unused
# 5 - X11
# 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
#
###表示当前缺省运行级别为5(initdefault)；
id:5:initdefault:
###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
# System initialization.
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
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
###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)
l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
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：
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。
下面就将逐一介绍其中几个关键的部分：
第一部分：内核的引导(核内引导)
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。
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。
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？
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。
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。
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。
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。
第二部分：运行init
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)：
#
# inittab This file describes how the INIT process should set up
# the system in a certain run-level.
#
# Author: Miquel van Smoorenburg, <miquels@drinkel.nl.mugnet.org>
# Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
#
# 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 havenetworking)
# 3 - Full multiuser mode
# 4 - unused
# 5 - X11
# 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
#
###表示当前缺省运行级别为5(initdefault)；
id:5:initdefault:
###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
# System initialization.
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
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
###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)
l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
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