分类: LINUX
2009-06-19 19:51:55
引导 Linux® 系统的过程包括很多阶段。不管是引导一个标准的 x86 桌面系统,还是引导一台嵌入式的 PowerPC® 机器,很多流程都惊人地相似。本文将探索 Linux 的引导过程,从最初的引导到启动第一个用户空间应用程序。在本文介绍的过程中,您将学习到各种与引导有关的主题,例如引导加载程序、内核解压、初始 RAM 磁盘以及 Linux 引导的其他一些元素。 让我们先从高级的视角来查看 Linux 引导过程,这样就可以看到整个过程的全貌了。然后将回顾一下在各个步骤到底发生了什么。在整个过程中,参考一下内核源代码可以帮助我们更好地了解内核源代码树,并在以后对其进行深入分析。 当系统首次引导时,或系统被重置时,处理器会执行一个位于已知位置处的代码。在个人计算机(PC)中,这个位置在基本输入/输出系统(BIOS)中,它保存在主板上的闪存中。嵌入式系统中的中央处理单元(CPU)会调用这个重置向量来启动一个位于闪存/ROM 中的已知地址处的程序。在这两种情况下,结果都是相同的。因为 PC 提供了很多灵活性,BIOS 必须确定要使用哪个设备来引导系统。稍后我们将详细介绍这个过程。 当找到一个引导设备之后,第一阶段的引导加载程序就被装入 RAM 并执行。这个引导加载程序在大小上小于 512 字节(一个扇区),其作用是加载第二阶段的引导加载程序。 当第二阶段的引导加载程序被装入 RAM 并执行时,通常会显示一个动画屏幕,并将 Linux 和一个可选的初始 RAM 磁盘(临时根文件系统)加载到内存中。在加载映像时,第二阶段的引导加载程序就会将控制权交给内核映像,然后内核就可以进行解压和初始化了。在这个阶段中,第二阶段的引导加载程序会检测系统硬件、枚举系统链接的硬件设备、挂载根设备,然后加载必要的内核模块。完成这些操作之后启动第一个用户空间程序(init),并执行高级系统初始化工作。 这就是 Linux 引导的整个过程。现在让我们深入挖掘一下这个过程,并深入研究一下 Linux 引导过程的一些详细信息。
提取 MBR 的信息 要查看 MBR 的内容,请使用下面的命令: # dd if=/dev/hda of=mbr.bin bs=512 count=1 # od -xa mbr.bin 在 PC 中,引导 Linux 是从 BIOS 中的地址 0xFFFF0 处开始的。BIOS 的第一个步骤是加电自检(POST)。POST 的工作是对硬件进行检测。BIOS 的第二个步骤是进行本地设备的枚举和初始化。 中国给定 BIOS 功能的不同用法之后,BIOS 由两部分组成:POST 代码和运行时服务。当 POST 完成之后,它被从内存中清理了出来,但是 BIOS 运行时服务依然保留在内存中,目标操作系统可以使用这些服务。 要引导一个操作系统,BIOS 运行时会按照 CMOS 的设置定义的顺序来搜索处于活动状态并且可以引导的设备。引导设备可以是软盘、CD-ROM、硬盘上的某个分区、网络上的某个设备,甚至是 USB 闪存。 通常,Linux 都是从硬盘上引导的,其中主引导记录(MBR)中包含主引导加载程序。MBR 是一个 512 字节大小的扇区,位于磁盘上的第一个扇区中(0 道 0 柱面 1 扇区)。当 MBR 被加载到 RAM 中之后,BIOS 就会将控制权交给 MBR。
主引导加载程序的工作是查找并加载次引导加载程序(第二阶段)。它是通过在分区表中查找一个活动分区来实现这种功能的。当找到一个活动分区时,它会扫描分区表中的其他分区,以确保它们都不是活动的。当这个过程验证完成之后,就将活动分区的引导记录从这个设备中读入 RAM 中并执行它。 第二阶段引导加载程序 GRUB 阶段引导加载程序 /boot/grub 目录中包含了 stage1、stage1.5 和 stage2 引导加载程序,以及很多其他加载程序(例如,CR-ROM 使用的是 iso9660_stage_1_5)。 在 x86 PC 环境中,第一阶段和第二阶段的引导加载程序一起称为 Linux Loader(LILO)或 GRand Unified Bootloader(GRUB)。由于 LILO 有一些缺点,而 GRUB 克服了这些缺点,因此下面让我们就来看一下 GRUB。 关于 GRUB,很好的一件事情是它包含了有关 Linux 文件系统的知识。GRUB 不像 LILO 一样使用裸扇区,而是可以从 ext2 或 ext3 文件系统中加载 Linux 内核。它是通过将两阶段的引导加载程序转换成三阶段的引导加载程序来实现这项功能的。阶段 1 (MBR)引导了一个阶段 1.5 的引导加载程序,它可以理解包含 Linux 内核映像的特殊文件系统。这方面的例子包括 reiserfs_stage1_5(要从 Reiser 日志文件系统上进行加载)或 e2fs_stage1_5(要从 ext2 或 ext3 文件系统上进行加载)。当阶段 1.5 的引导加载程序被加载并运行时,阶段 2 的引导加载程序就可以进行加载了。
将第二阶段的引导加载程序加载到内存中之后,就可以对文件系统进行查询了,并将默认的内核映像和 initrd 映像加载到内存中。当这些映像文件准备好之后,阶段 2 的引导加载程序就可以调用内核映像了。
在 GRUB 命令行中,我们可以使用 initrd 映像引导一个特定的内核,方法如下: grub> kernel /bzImage-2.6.14.2 [Linux-bzImage, setup=0x1400, size=0x29672e] grub> initrd /initrd-2.6.14.2.img [Linux-initrd @ 0x5f13000, 0xcc199 bytes] grub> boot Uncompressing Linux... Ok, booting the kernel.
当 bzImage(用于 i386 映像)被调用时,我们从 ./arch/i386/boot/head.S 的 start 汇编例程开始执行(主要流程图请参看图 3)。这个例程会执行一些基本的硬件设置,并调用 ./arch/i386/boot/compressed/head.S 中的 startup_32 例程。此例程会设置一个基本的环境(堆栈等),并清除 Block Started by Symbol(BSS)。然后调用一个叫做 decompress_kernel 的 C 函数(在 ./arch/i386/boot/compressed/misc.c 中)来解压内核。当内核被解压到内存中之后,就可以调用它了。这是另外一个 startup_32 函数,但是这个函数在 ./arch/i386/kernel/head.S 中。
通过调用 start_kernel,会调用一系列初始化函数来设置中断,执行进一步的内存配置,并加载初始 RAM 磁盘。最后,要调用 kernel_thread(在 arch/i386/kernel/process.c 中)来启动 init 函数,这是第一个用户空间进程(user-space process)。最后,启动空任务,现在调度器就可以接管控制权了(在调用 cpu_idle 之后)。通过启用中断,抢占式的调度器就可以周期性地接管控制权,从而提供多任务处理能力。 在内核引导过程中,初始 RAM 磁盘(initrd)是由阶段 2 引导加载程序加载到内存中的,它会被复制到 RAM 中并挂载到系统上。这个 initrd 会作为 RAM 中的临时根文件系统使用,并允许内核在没有挂载任何物理磁盘的情况下完整地实现引导。由于与外围设备进行交互所需要的模块可能是 initrd 的一部分,因此内核可以非常小,但是仍然需要支持大量可能的硬件配置。在内核引导之后,就可以正式装备根文件系统了(通过 pivot_root):此时会将 initrd 根文件系统卸载掉,并挂载真正的根文件系统。 decompress_kernel 输出函数 decompress_kernel 就是显示我们通常看到的解压消息的地方: initrd 函数让我们可以创建一个小型的 Linux 内核,其中包括作为可加载模块编译的驱动程序。这些可加载的模块为内核提供了访问磁盘和磁盘上的文件系统的方法,并为其他硬件提供了驱动程序。由于根文件系统是磁盘上的一个文件系统,因此 initrd 函数会提供一种启动方法来获得对磁盘的访问,并挂载真正的根文件系统。在一个没有硬盘的嵌入式环境中,initrd 可以是最终的根文件系统,或者也可以通过网络文件系统(NFS)来挂载最终的根文件系统。 当内核被引导并进行初始化之后,内核就可以启动自己的第一个用户空间应用程序了。这是第一个调用的使用标准 C 库编译的程序。在此之前,还没有执行任何标准的 C 应用程序。 在桌面 Linux 系统上,第一个启动的程序通常是 /sbin/init。但是这不是一定的。很少有嵌入式系统会需要使用 init 所提供的丰富初始化功能(这是通过 /etc/inittab 进行配置的)。在很多情况下,我们可以调用一个简单的 shell 脚本来启动必需的嵌入式应用程序。 |