系统启动流程 编辑 请登陆,再编辑

前言

  开机过程指的是从打开计算机电源直到 Linux 显示用户登录画面的全过程。分析 Linux 开机过程也是深入了解 Linux 内核工作原理一个很好的途径。

详细介绍

加载BIOS

  当你打开计算机电源,计算机会首先加载 BIOS 信息,BIOS 信息是如此的重要,以至于计算机必须在最开始就找到它。这是因为 BIOS 中包含了 CPU 的相关 信息、设备启动顺序信息、硬盘信息、内存信息、时钟信息、PnP 特性等等。在此之后,计算机心里就有谱了,知道应该去读取哪个硬件设备了。在 BIOS 将系统的控制权交给硬盘第一个扇区之后,就开始由 Linux 来控制系统了。

读取主引导记录

  硬盘上第0磁道第一个扇区被称为 MBR,也就是 Master Boot Record,即主引导记录,它的大小是512字节,可里面却存放了预启动信息、分区表信息。可分为两部分:

  第一部分为引导(PRE-BOOT)区,占了446个字节;

  第二部分为分区表(PARTITION TABLE),共有64个字节,记录硬盘的分区信息。

  预引导区的作用之一是找到标记为活动(ACTIVE)的分区,并将活动分区的引导区读入内存。剩余两个字节为结束标记。

  系统找到 BIOS 所指定的硬盘的 MBR 后,就会将其复制到 0×7c00 地址所在的物理内存中。其实被复制到物理内存的内容就是 Boot Loader,而具体到你的电脑,那就是 lilo 或者 grub 了。

启动加载器

  启动加载器(Boot Loader)就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序,我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状 态,以便为最终调用操作系统内核做好一切准备。通常,Boot Loader 是严重地依赖于硬件而实现的,不同体系结构的系统存在着不同的 Boot Loader。

  Linux的引导扇区内容是采用汇编语言编写的程序,其源代码在 arch/i386/boot 中(不同体系的CPU有其各自的 boot 目录),有4个程序文件:

-bootsect.S,引导扇区的主程序,汇编后的代码不超过512字节,即一个扇区的大小

-setup.S, 引导辅助程序

-edd.S,辅助程序的一部分,用于支持BIOS增强磁盘设备服务

-video.S,辅助程序的另一部分,用于引导时的屏幕显示

Boot Loader 有若干种,其中 Grub、Lilo 和 spfdisk 是常见的 loader,这里以 Grub 为例来讲解吧。

系统读取内存中的 grub 配置信息(一般为 menu.lstgrub.lst),并依照此配置信息来启动不同的操作系统。

加载内核

  根据 grub 设定的内核映像所在路径,系统读取内存映像,并进行解压缩操作。此时,屏幕一般会输出“Uncompressing Linux(解压内核中)”的提示。当解压缩内核完成后,屏幕输出“OK, booting the kernel(正在启动内核)”。

  系统将解压后的内核放置在内存之中,并调用 start_kernel() 函数来启动一系列的初始化函数并初始化各种设备,完成 Linux 核心环境的建立。至此,Linux 内核已经建立起来了,基于 Linux 的程序应该可以正常运行了。

  start_kenrel() 定义在 init/main.c 中,它就类似于一般可执行程序中的 main() 函数,系统在此之前所做的仅仅是一些能让内核程序最低限度执行的初始化操作, 真正的内核初始化过程是从这里才开始。函数 start_kerenl() 将会调用一系列的初始化函数,用来完成内核本身的各方面设置,目的是最终建立起基 本完整的 Linux 核心环境。

  start_kernel() 中主要执行了以下操作:

(1) 在屏幕上打印出当前的内核版本信息。

(2) 执行 setup_arch(),对系统结构进行设置。

(3) 执行 sched_init(),对系统的调度机制进行初始化。先是对每个可用 CPU 上的 runqueque 进行初始化;然后初始化0号进程(其 task struct 和系统空M堆栈在 startup_32() 中己经被分配)为系统 idle 进程,即系统空闲时占据 CPU 的进程。

(4)执行 parse_early_param()parsees_args() 解析系统启动参数。

(5)执行 trap_in itQ,先设置了系统中断向量表。0-19号的陷阱门用于 CPU 异常处理;然后初始化系统调用向量;最后调用 cpu_init() 完善对 CPU 的初始化,用于支持进程调度机制,包括设定标志位寄存器、任务寄存器、初始化程序调试相关寄存器等等。

(6)执行 rcu_init() ,初始化系统中的 Read-Copy Update 互斥机制。

(7)执行 init_IRQ() 函数,初始化用于外设的中断,完成对 IDT 的最终初始化过程。

(8)执行 init_timers()softirq_init()time_init() 函数,分别初始系统的定时器机制,软中断机制以及系统日期和时间。

(9)执行 mem_init() 函数,初始化物理内存页面的 page 数据结构描述符,完成对物理内存管理机制的创建。

(10)执行 kmem_cache_init() ,完成对通用 slab 缓冲区管理机制的初始化工作。

(11)执行 fork_init(),计算出当前系统的物理内存容量能够允许创建的进程(线程)数量。

(12)执行 proc_caches_init()bufer_init()unnamed_dev_init()vfs_caches_init()signals_init() 等函数对各种管理机制建立起专用的 slab 缓冲区队列。

(13 )执行 proc_root_init()Wl数,对虚拟文件系统/proc进行初始化。

start_kenrel() 的结尾,内核通过 kenrel_thread() 创建出第一个系统内核线程(即1号进程),该线程执行的是内核中的 init() 函数,负责的是下一阶段的启动任务。最后调用 cpues_idle() 函数:进入了系统主循环体口默认将一直执行 default_idle() 函数中的指令,即 CPU 的 halt 指令,直到就绪队列中存在其他进程需要被调度时才会转向执行其他函数。此时,系统中唯一存 在就绪状态的进程就是由 kerne_hread() 创建的 init 进程(内核线程),所以内核并不进入 default_idle() 函数,而是转向 init() 函数继续启动过程。

初始化环境

  内核被加载后,第一个运行的程序便是 /sbin/init,该文件会读取 /etc/inittab 文件,并依据此文件来进行初始化工作。

  其实 /etc/inittab 文件最主要的作用就是设定 Linux 的运行等级,其设定形式是“:id:5:initdefault:”,这就表明Linux需要运行在等级5上。Linux 的运行等级设定如下:

0:关机

1:单用户模式

2:无网络支持的多用户模式

3:有网络支持的多用户模式

4:保留,未使用

5:有网络支持有X-Window支持的多用户模式

6:重新引导系统,即重启

配置系统环境

  在设定了运行等级后,Linux 系统执行的第一个用户层文件就是 /etc/rc.d/rc.sysinit 脚本程序,它做的工作非常多,包括设定 PATH、 设定网络配置(/etc/sysconfig/network)、启动 swap 分区、设定 /proc 等等。如果你有兴趣,可以到 /etc/rc.d 中查看一下 rc.sysinit 文件。

系统初始化的大致内容总结如下:

硬件的初始化,图像界面启动的初始化(如果设置了默认启动基本)

主机RAID的设置初始化,device mapper 及相关的初始化

检测根文件系统,以只读方式挂载

激活 udev 和 selinux

设置内核参数 /etc/sysctl.conf

设置系统时钟

启用交换分区,设置主机名

加载键盘映射

激活 RAID 和 LVM 逻辑卷

挂载额外的文件系统 /etc/fstab

最后根据 mingetty 程序调用 login 让用户登录->用户登录(完成系统启动)

在系统启动过程中主要的脚本和目录有:

boot
/grub
/boot/grub/grub.conf
 /boot/initrd+内核版本
 /initrd文件中的/proc/ /sys/ /dev/ 目录的挂载 及根的切换
 /etc/inittab 脚本
 /etc/rc.d/rc.sysinit 脚本 等

  线程 init 的最终完成状态是能够使得一般的用户程序可以正常地被执行,从而真正完成可供应用程序运行的系统环境。它主要进行的操作有:

(1) 执行函数 do_basic_setup(),它会对外部设备进行全面地初始化。

(2) 构建系统的虚拟文件系统目录树,挂接系统中作为根目录的设备(其具体的文件系统已经在上一步骤中注册)。

(3) 打开设备 /dev/console,并通过函数 sys_dup() 打开的连接复制两次,使得文件号 0, 1, 2 全部指向控制台。这三个文件连接就是通常所说的“标准输入”stdin,“标准输出”stdout 和“标准出错信息”stderr 这三个标准 I/O 通道。

(4) 准备好以上一切之后,系统开始进入用户层的初始化阶段。内核通过系统调用execve()加载执T子相应的用户层初始化程序,依次尝试加载程 序"/sbin/initl"," /etc/init"," /bin/init',和“/bin/sh。只要其中有一个程序加载获得成功,那么系统就将开始用户层的初始化,而不会再回到init()函数段中。至 此,init()函数结束,Linux内核的引导 部分也到此结束。

启动内核模块

  具体是依据 /etc/modules.conf 文件或 /etc/modules.d 目录下的文件来装载内核模块。

  启动第八步--执行不同运行级别的脚本程序

  根据运行级别的不同,系统会运行 rc0.drc6.d 中的相应的脚本程序,来完成相应的初始化工作和启动相应的服务。

  启动第九步--执行 /etc/rc.d/rc.local

  你如果打开了此文件,里面有一句话,读过之后,你就会对此命令的作用一目了然:

# This script will be executed *after* all the other init scripts.
# You can put your own initialization stuff in here if you don’t
# want to do the full Sys V style init stuff.

  rc.local 就是在一切初始化工作后,Linux 留给用户进行个性化的地方。你可以把你想设置和启动的东西放到这里。

进入登录状态

  此时,系统执行 /bin/login 程序,已经进入到了等待用户输入用户名和密码的时候了,你已经可以用自己的帐号登入系统了。

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