Linux基礎(chǔ)命令之Linux啟動過程詳解

　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(xì)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：
　?。?）當(dāng)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(shè)置的啟動設(shè)備（通常是硬盤）進行啟動，接著啟動設(shè)備上安裝的引導(dǎo)程序lilo或grub開始引導(dǎo)Linux（也就是啟動設(shè)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(dǎo)，主要完成磁盤引導(dǎo)、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(wù)的任務(wù)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(xì)講解。
　　
　　圖2.2 Linux啟動總體流程圖
　　2.2.2 內(nèi)核引導(dǎo)階段
　　在grub或lilo等引導(dǎo)程序成功完成引導(dǎo)Linux系統(tǒng)的任務(wù)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。
　?。?）bootsect階段
　　當(dāng)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(dǎo)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。
　?。?）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(shè)置顯示器和顯示模式。
　　最后，它還會設(shè)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(dāng)CPU跳到0x100000時，將執(zhí)行“arch/i386/kernel/head.S”中的startup_32。
　?。?）head.S階段。
　　當(dāng)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(wù)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。
　?。?）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(dǎo)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(wù)。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
　?。?）id。
　　id是配置記錄標(biāo)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?br /> 　?。?）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(dāng)runlevel與當(dāng)前運行級別匹配成功才會執(zhí)行。
　?。?）action。
　　action字段用于描述系統(tǒng)執(zhí)行的特定操作，它的常見設(shè)置有：initdefault、sysinit、boot、bootwait、respawn等。
　　initdefault用于標(biāo)識系統(tǒng)缺省的啟動級別。當(dāng)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(dāng)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。
　?。?）process。
　　process字段設(shè)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(xì)講解該配置文件完成的功能。
　　Linux啟動過程詳解
　　2013-09-13 14:40:19 來源：EEFOCUS
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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(luò)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(fù)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(rèn)的為5，也就是X-Windows多用戶模式。以下是在“/etc/inittab”文件中設(shè)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(rèn)路徑、主機名稱、“/etc/sysconfig/network”中所記錄的網(wǎng)絡(luò)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(rèn)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(wù)。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(guān)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(dāng)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(yīng)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
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