FreeBSD系统编程(2)

第二章  自举BSD

翻译(meilincore@chinaunix)

2.1 自举BSD
自举:在很少或者没有协助的情况下主动,努力的提升和发展(把她自己自举到顶点)
Bootstrap : to promote or develop by initiative and effort with little or no assistance

自举计算机是指加载操作系统的过程,该过程为:初始化硬件,读取一小部分代码到内存并执行.这一点代码接着加载一个大的操作系统.一旦操作系统被加载,它就需要创建自己的整个环境.这个过程,称做自举计算机,是一个复杂的,高度平台相关的过程.

本章我们将从细节上探索FreeBSD在i386平台上的自举过程.相关的概念和过程与NetBSD和OpenBSD在i386平台上的自举程序相类似.注意一些汇编代码对于从实际上完成i386基本系统的启动任务是必须的.然而,我们不会从细节上回顾汇编代码而是主要集中在高层概念上,因此就算你不是专家讨论也是有意义的.

注意:虽然本章中讨论的一些概念,特别是"实模式"和"保护模式",并不存在与现代象PPC或Alpha这些硬件构架当中.但是i386 BSD基本系统是目前为止最为广泛的系统并会继续如此(一个值得注意的例外是Mac OS X),而且适应很多情况.如果你对启动系统细节有兴趣,你可能需要自定义内核,自定义文件系统,设备驱动.同时.i386构架还广泛应用与嵌入式系统.给定一个安装平台(Given the install base),i386平台及其成果将继续在未来一些年里适用.甚至新的64位CPU到目前我们所知道的为止还是一样的启动过程.

2.2 FreeBSD的自举过程

FreeBSD使用一种三段启动过程,当你打开计算机电源或者重新启动.一旦BIOS完成系统检测.它将从DISK0加载第一个轨道到内存中.(每一个过程使用512字节的程序.刚好占用硬盘的一个块)第一轨道就是我们熟知的主引导记录(MBR),也就是boot0,第一个被计算机加载执行的程序.第二个程序,boot1,又是固定大小为512字节并知道如何读取slice信息和加载boot2.一旦boot2被加载它就有能力直接启动系统或者加载加载器(loader program),加载器固定大小为512字节.相当精致并被设计来允许对系统精确启动作更多的控制.

boot0

从BIOS加载的第一个程序,boot0,是一个固定大小为512字节的小程序,位于主引导记录(MBR).你可以在/usr/src/sys/boot/i386/boot找到该程序的源代码.当然现代计算机的BIOS可以设置成从各种不同的驱动器包括光驱,软驱和IDE硬盘启动.对于本章来说,我们将假设计算机是从第一个硬盘启动的.也就是磁盘驱动器0,C:,或者,对BIOS而言,0X80.

从第一个磁盘的第一个扇区,512字节被读到内存位置0X7C00.然后,BIOS会检验内存位置0X7DFE的数字0XAA55(启动块代码的最后两个字节).这个位置索引数字0XAA55对i386是如此重要而被赋予了一个适当的名字----魔数.这意味着,只有在这个数字存在于内存位置0X7DFE的情况下BIOS才会把控制权转移给boot0被安置的内存位置0X7C00.

这提出了在Intel i386系统上编写启动代码的一个要点:记着你代码中的第一个内存位置处(0X0)必须是一条指令.并且,当BIOS转移控制权给内存位置0X7C00的时候该位置必须包含一条指令.这可以是一个简单的跳转到其他位置或者启动程序主过程的入口.另外当启动代码被执行时你对CPU到底在干什么是完全没有控制的.因为这时候寄存器的状态也是未知的,你别指望已经设置好了适当的段和栈寄存器.这个小工作必须由启动代码来完成.因为目前操作系统还没有加载起来;所有的I/O必须通过BIOS过程来完成(Intel CPU 文档有一个完整列表)

在boot0被加载并获得控制权以后,它将设置自己的寄存器和栈信息.接着,boot0重定位自己到一个低的内存位置并跳转到它主过程的新的偏移地址.这时候boot0必须还能够定位和启动其他磁盘和分区,在它的最后,boot0代码有一个小的常见的可启动类型列表,它们都必须在其最后两个字节包含魔数才可启动.

最终,当boot0完成搜索可启动磁盘和分区以后,将提示用户作一个选择.如果在一个短的时间段里面没有任何选择或者某个键被按下,boot0将加载下一个启动块到内存并转移控制权给它.还是那样,这可以是任何操作系统的启动代码----你可以设置它加载Linux的自举代码或者甚至DOS.对BSD而言,下阶段的启动程序是boot1.

boot1

与boot0相似,boot1是一个非常简单且总共才512字节的程序;它也必须在最后两个字节包含魔数.其目的是定位和读取FreeBSD磁盘分区,接着定位和加载boot2.

虽然在大多数情况下,boot1是被boot0加载的,但是这个顺序不必是唯一存在的选项.由于FreeBSD的灵活性你可以使用被称为专用磁盘的选项(说的就是那个更为声名狼籍的危险的专用磁盘)一个专用磁盘就是整个磁盘,或者BIOS的每一个扇区都属于FreeBSD.通常,你会在PC机磁盘上发现一个fdisk表,或者一个slice表,用来允许多个操作系统从单个PC机磁盘上启动.你可以选择使用一个专用磁盘并且直接从boot1启动;boot0完全没有必要安装在磁盘上.不管你采用那种实现,boot1都是非常重要的启动块并需要被加载

Boot1被加载到内存位置0X7C00并操作在实模式;环境没有设置,寄存器也在未知状态.boot1必须设置好栈,定义所有的寄存器,并使用BIOS接口来做所有的I/O.一旦boot1被加载到内存并且控制权已经转移过来.它必须在自己的第一个内存位置(0X0)包含一条指令.所有这些都成功以后,boot1将读取系统磁盘搜索boot2.

一旦boot2被加载.程序必须设置好boot2的环境;boot2是一个BTX客户端(boot Extender 启动扩展器)并且比前面的boot0和boot1稍微复杂一些.boot1需要加载boot2到内存位置0X9000并且它的入口是0X9010.然后,甚至在boot1加载并转移控制权给boot2以后,还有一个被boot2使用的过程存在于boot1.如果你阅读boot1的源代码你会注意到一个函数呼叫xread.这个函数用来通过BIOS从磁盘读取数据.因此,boot1在内存中的位置是非常重要的并且boot2必须知道它的位置才能正常工作.

boot2

目前为止我们已经加载了两个启动块和一个大的程序到内存中.转移了两次控制权且每次都重新设置了一个小的环境(栈,段寄存器等等...),并通过BIOS执行了一些有限的I/O.我们依然没有触及到加载操作系统的点子上来.如果你看过FreeBSD启动过程中的屏幕,到目前为止你可能看见F1和可爱的ASCII螺旋线.你可能印象当中不会觉得这都是,但他的却是原原本本,精确原生的汇编代码让这个启动过程看起来如此幽雅而轻巧

现在到最后一个自举过程了,boot2.最后阶段很简单并且可以发生两件事中的一件:boot2加载加载器(我们将在下一节讨论这个)或者,boot2加载内核并直接启动而完全不使用加载器.如果你曾经打断boot2的加载过程,你可能已经看过这个boot2输出到屏幕的东西:

 

>>FreeBSD/i386 BOOT
Defualt: 0:ad(0,a)/boot/loader
boot:

如果你按下回车,boot2会简单的加载默认加载器,象列出的那样.当然,如果你只是键入"boot kernel"接着它就会加载内核(/kernel)并启动.你可以,当然,改变这些默认值.如果你想找到更多信息请阅读boot( 8 )的文档

早先我们提到过boot2是一个BTX客户端(Boot Extender 启动扩展器).这留下什么呢?BTX提供者是一个基础的虚拟86寻址环境.该来讨论一下Intel硬件内存寻址的历史了.

目前为止我们都避免提及内存寻址方式.这可能会比较混淆因为Intel CPU要忍受历史问题,并且启动代码设计通常是留给那些非写不可的开发人员.除非你要移植一个系统到新的构架因而你的代码必须完全是平台依赖的,通常,一个程序员永远也不会被派去写一个启动加载器.然而启动过程对于需要编写设备驱动代码或者内核相关编程的开发人员来说是非常重要的.这就是一些开发人员会在这里碰到BTX加载器.

大约从8088到80186,Intel处理器只有一种方式进行内存寻址,叫做实模式.这些早期的CPU有巨大的16位寄存器和20位内存地址.然后问题来了,你如何在16位的寄存器中构成一个20位的地址呢?答案就是,用两个16位寄存器,一个提供基地址而另一个提供这个基地址的偏移量.基地址寄存器被左移4位这样当两个合并的时候一个令人惊异的20位地址就被算出来了.用所有这些灵巧的段寄存器和位移,早期的Intel处理器可以寻址总共1M空间.今天这甚至还不够容纳一个Word文档,作为一个傲慢的例子.

一旦80386席卷而来,寻址1M就不够了;用户需要更多的内存并且程序开始使用更多的内存.一种新的寻址模式叫做保护模式被发明了出来.新的保护模式允许寻址高达4G内存.

新方式的另一个好处就是对于汇编程序员来说更容易实现.主要的区别就是你的扩展寄存器(它们还是那些16为寄存器不过386现在是32位了)可以包含一个完整的32位地址.甚至你以前的段寄存器现在都被保护了.程序不能写入或者读取他们.这些段寄存器现在被用来定位你的内存中的真实地址,这个过程包括权限验校位(读写等等...)并引入了MMU(memory management unit内存管理单元)

现在回到BTX客户端的问题.我们使用BTX程序有什么好处呢?很简单:灵活性.BTX提供了足够的服务因此一个小的,拥有漂亮接口的程序可以被写出并能在加载内核的过程中非常灵活.在FreeBSD系统中这就是加载器.从下一节有将看到加载器真的是多么的漂亮和灵活.因此本节余下的部分我们将涵盖基本的BTX服务.

BTX服务可以被归类到两个基本组.第一组是由直接函数呼叫(类似于系统呼叫)提供的系统服务.另外一组是不由客户端直接呼叫的环境服务.这些服务类似于一个操作系统,然而BTX程序是象单任务环境那样操作的.

直接呼叫提供的BTX服务由两个系统呼叫组成.exit 和 exec.当exit被呼叫的时候BTX加载器结束并且系统重启.最后的一个系统呼叫exec将转移控制权给提供的地址.在个控制权移交是在超级用户模式下完成,并且新的程序可以离开被保护的CPU模式

BTX加载器提供的环境服务是非常基础的.BTX加载器处理所有的中断.这些中断被送到合适的BIOS处理器.BTX也模拟BIOS扩展内存传输呼叫.并且最后还模拟一些汇编指令,它们是pushf,popf,cli,sti.iret和hlt.

最后注意:所有编写来运行在BTX环境中的程序都必须被编译并连接到btxld.更多信息请阅读BTX加载器联机手册

2.3加载器

最后的启动阶段是由加载器组成的.加载器程序是一个标准命令(引用为"内建命令")和一个Forth解释器的联合(基于ficl).加载器将允许用户同系统启动进行交互或者允许系统恢复和维护.通过加载器用户可以选择载入或者卸载内核模块.用户也可以设置或者取消设置相关变量,比如rootdevice(根设备)和module_path(模块路径).这些也可以在/boot/loader.conf里面改变.加载器读取的默认文件在/boot/defaults/loader.conf.默认文件也包含了许多可用的选项.这写文件都被构造得和/etc/rc.conf类似.

加载器对于内核和设备驱动除错是非常有用的.通过加载器你可以通知内核在除错器起用的状态下启动.或者,你可以为设备驱动测试加载相关的内核模块.如果你准备编写任何内核模块或者设备驱动的话你最好是阅读加载器的所有文档.首先从联机手册开始,然后复习/boot/loader.conf中的所有选项.一路上加载器在你需要扩展BSD或者诊断内核崩溃的时候将非常有用.

2.4开始内核服务
我们终于到了内核已经被载入内存,CPU的控制权的也被传给它的阶段了.一旦内核被加载,它需要从初始化开始运行并准备系统进入多任务模式.该初始化包括三个主要组成部分.前两个是机器相关的,由c和汇编混合编写成.前两个阶段准备系统和初始化CPU内存管理单元(MMU,如果它存在)并处理硬件初始化.最后一个阶段继续建立基本内核环境并让系统准备好运行进程1(/sbin/init).前两个阶段是高度平台依赖的.因为每一种构架都有相关需要.我们将提供一个对这两个阶段的高层次浏览并在本书稍后当我们涵盖到设备驱动的时候从细节上来了解这些概念.

阶段 1 & 2 内核装配和c起始过程

虽然内核一旦被加载就不再对系统做任何假设,加载器还是会传送一些信息给内核,比如启动设备和启动标记.另外,内核必须创建自己的环境并让系统准备好运行进程0(下面解释).这些任务包括CPU检测,运行时刻任务建立,和内存数量检测.

CPU识别是非常重要的一步,因为每个平台可以有多种不同的CPU(i386是其中之一),不是所有的CPU都会支持同样的特性.比如,拿MMX指令集来说,虽然它对于内核来说不是一个重要特性,但是对于浮点单元就是,因此如果这个特性不被该CPU所支持的话就必须用软件来模拟.这对于所有其他不被支持的特性和已知错误或者CPU的固有特性来说都是成立的

第二个阶段会初始化系统硬件和内存.这包括探测硬件,初始化I/O设备,为内核结构分配内存,建立系统消息缓存.该阶段你会看到启动屏幕中闪过很多硬件列表.按照BSD传统,这个阶段是通过呼叫cpu_startup()函数来初始化.

第3阶段 和 进程 0

一旦cpu_startup()函数返回,内核就需要建立进程0.进程0通常称为交换器,如果你运行ps命令会看到它在活动.然而从感官上来说并没有这样一个名为swapper的二进制文件附属于该进程.这对于其他四个在现代FreeBSD系统上找到进程都是成立的:pagedaemon,vmdaemon,bufdaemon和syncer.为避免复杂化,我们只说这些进程是VM子系统的一部分;我们在进程一章中再讨论它们.着重理解他们是在启动过程中由内核创建而不是文件系统中的二进制程序,并且是相当平台依赖性的.他们是用c语言写成并在起始平台环境初始化完毕以后开始的

init和系统shell脚本

在所有的汇编和平台依赖性代码执行完毕以后,内核终于执行第一个真正的程序:/sbin/init.该程序是相当简短的(在FreeBSD上,总共约1,700行).象我们在BSD进程一章所讨论的那样,这就是那个所有进程都遗传自的进程.这样设计的实力在于,因为/sbin/init只是文件系统中的一个二进制程序,你可以自己写一个自定义版的.对于/sbin/init在启动时的主要目标就是运行系统启动脚本并为系统进入多用户模式做准备.留意信号:/sbin/init应当能优雅的处理信号,否则你的系统可能结束在/sbin/init程序的一个奇怪的状态并且在系统启动时崩溃掉.同时运行中/sbin/init可以接受信号来执行某些任务.比如,如果你想让系统不为某个相关的终端生产进程.象列在/etc/ttys里面的.你可以标记想要的终端为关闭状态并执行下面的命令使init读取/etc/ttys并只为列出的标记状态为开的终端生产进程.

 

bash$kill -HUP 1

注意除非你很小心,否则可能会以一个你不能登录的系统告终(到关于信号的一章里面查看详细信息.)

init程序会在启动过程中设置系统以进入多用户模式.这是很灵巧的.引入了象开始每一个守护进程并设置网络信息这样枯燥的任务.在UNIX系统中.有一些这样的途径,主要引入shell脚本.在某些版本的Linux和System V系统中,对应与某个运行级别的可启动脚本位于/etc/rc.d.然而BSD使用了简单得多的办法.这就是在/etc/里面找到的的rc脚本

这些脚本通常是不能被编辑的,而是,在/etc/fc.conf里面设置变量(来改变行为).象PicoBSD的自定义安装你可能需要建立自己的脚本;PicoBSD是高度磁盘空间敏感的,并有相关的文件系统需要.一个重要的提示,/usr/local/etc/rc.d/文件夹是特别的.该文件夹的特别意义在于其中找到的每个.sh可执行文件都会在/etc/rc脚本之后被执行.为了方便系统管理这个文件夹替代了老的/etc/rc.local文件(/etc/rc.local是以前在系统启动尾声的时候启动自定义脚本或者程序的办法)

BSD rc脚本包括值得注意的条目列表如下:

 

/etc/rc - 主脚本并且第一个被呼叫,挂接文件系统并运行所有需要的rc脚本
/etc/rc.atm - 用来配置ATM网络.
/etc/rc.devfs - 设置/dev/权限和连接
/etc/rc.diskless1 - 第一个diskless客户端脚本
/etc/rc.diskless2 - 第二个diskless客户端脚本
/etc/rc.firewall - 用于防火墙规则
/etc/rc.firewall6 - 用于IPV6防火墙规则
/etc/rc.i386 - intel系统相关需要
/etc/rc.isdn - isdn网络设置
/etc/rc.network - IPV4网络设置
/etc/rc.network6 - IPV6网络设置
/etc/rc.pccard - 膝上电脑pc card控制器
/etc/rc.serial - 设置串口设备
/etc/rc.sysctl - 在系统启动时设置sysctl选项
/usr/local/etc/rc.d/ - 存有自定义启动脚本的普通文件夹

这里有一个例子:

如果你想让rsync作为守护进程这个脚本会起作用:

 

#!/bin/sh

if [ -x /usr/local/bin/rsync ]; then
        /usr/local/bin/rsync --deamon
fi