前言

開機(jī)過程指的是從打開計算機(jī)電源直到 Linux 顯示用戶登錄畫面的全過程。分析 Linux 開機(jī)過程也是深入了解 Linux 內(nèi)核工作原理一個很好的途徑。

加載BIOS

當(dāng)你打開計算機(jī)電源，計算機(jī)會首先加載 BIOS 信息，BIOS 信息是如此的重要，以至于計算機(jī)必須在最開始就找到它。這是因?yàn)?BIOS 中包含了 cpu 的相關(guān) 信息、設(shè)備啟動順序信息、硬盤信息、內(nèi)存信息、時鐘信息、PnP 特性等等。在此之后，計算機(jī)心里就有譜了，知道應(yīng)該去讀取哪個硬件設(shè)備了。在 BIOS 將系統(tǒng)的控制權(quán)交給硬盤第一個扇區(qū)之后，就開始由 Linux 來控制系統(tǒng)了。

讀取主引導(dǎo)記錄

硬盤上第0磁道第一個扇區(qū)被稱為 MBR，也就是 Master Boot Record，即主引導(dǎo)記錄，它的大小是512字節(jié)，可里面卻存放了預(yù)啟動信息、分區(qū)表信息。可分為兩部分：

• 第一部分為引導(dǎo)（PRE-BOOT）區(qū)，占了446個字節(jié)；
• 第二部分為分區(qū)表（PARTITION TABLE），共有64個字節(jié)，記錄硬盤的分區(qū)信息。

預(yù)引導(dǎo)區(qū)的作用之一是找到標(biāo)記為活動（ACTIVE）的分區(qū)，并將活動分區(qū)的引導(dǎo)區(qū)讀入內(nèi)存。剩余兩個字節(jié)為結(jié)束標(biāo)記。

系統(tǒng)找到 BIOS 所指定的硬盤的 MBR 后，就會將其復(fù)制到 0×7c00 地址所在的物理內(nèi)存中。其實(shí)被復(fù)制到物理內(nèi)存的內(nèi)容就是 Boot Loader，而具體到你的電腦，那就是 lilo 或者 grub 了。

啟動加載器

啟動加載器（Boot Loader）就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀 態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好一切準(zhǔn)備。通常，Boot Loader 是嚴(yán)重地依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的，不同體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)存在著不同的 Boot Loader。

Linux的引導(dǎo)扇區(qū)內(nèi)容是采用匯編語言編寫的程序，其源代碼在 arch/i386/boot 中（不同體系的cpu有其各自的 boot 目錄），有4個程序文件:

• -bootsect.S，引導(dǎo)扇區(qū)的主程序，匯編后的代碼不超過512字節(jié)，即一個扇區(qū)的大小
• -setup.S， 引導(dǎo)輔助程序
• -edd.S，輔助程序的一部分，用于支持BIOS增強(qiáng)磁盤設(shè)備服務(wù)
• -video.S，輔助程序的另一部分，用于引導(dǎo)時的屏幕顯示

Boot Loader 有若干種，其中 Grub、Lilo 和 spfdisk 是常見的 loader，這里以 Grub 為例來講解吧。

系統(tǒng)讀取內(nèi)存中的 grub 配置信息（一般為 menu.lst 或 grub.lst），并依照此配置信息來啟動不同的操作系統(tǒng)。

加載內(nèi)核

根據(jù) grub 設(shè)定的內(nèi)核映像所在路徑，系統(tǒng)讀取內(nèi)存映像，并進(jìn)行解壓縮操作。此時，屏幕一般會輸出“Uncompressing Linux（解壓內(nèi)核中）”的提示。當(dāng)解壓縮內(nèi)核完成后，屏幕輸出“OK, booting the kernel（正在啟動內(nèi)核）”。

系統(tǒng)將解壓后的內(nèi)核放置在內(nèi)存之中，并調(diào)用 start_kernel() 函數(shù)來啟動一系列的初始化函數(shù)并初始化各種設(shè)備，完成 Linux 核心環(huán)境的建立。至此，Linux 內(nèi)核已經(jīng)建立起來了，基于 Linux 的程序應(yīng)該可以正常運(yùn)行了。

start_kenrel() 定義在 init/main.c 中，它就類似于一般可執(zhí)行程序中的 main() 函數(shù)，系統(tǒng)在此之前所做的僅僅是一些能讓內(nèi)核程序最低限度執(zhí)行的初始化操作， 真正的內(nèi)核初始化過程是從這里才開始。函數(shù) start_kerenl() 將會調(diào)用一系列的初始化函數(shù)，用來完成內(nèi)核本身的各方面設(shè)置，目的是最終建立起基 本完整的 Linux 核心環(huán)境。

start_kernel() 中主要執(zhí)行了以下操作:

• (1) 在屏幕上打印出當(dāng)前的內(nèi)核版本信息。
• (2) 執(zhí)行 setup_arch()，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置。
• (3) 執(zhí)行 sched_init()，對系統(tǒng)的調(diào)度機(jī)制進(jìn)行初始化。先是對每個可用 CPU 上的 runqueque 進(jìn)行初始化；然后初始化0號進(jìn)程（其 task struct 和系統(tǒng)空M堆棧在 startup_32() 中己經(jīng)被分配）為系統(tǒng) idle 進(jìn)程，即系統(tǒng)空閑時占據(jù) CPU 的進(jìn)程。
• (4)執(zhí)行 parse_early_param() 和 parsees_args() 解析系統(tǒng)啟動參數(shù)。
• (5)執(zhí)行 trap_in itQ，先設(shè)置了系統(tǒng)中斷向量表。0－19號的陷阱門用于 CPU 異常處理；然后初始化系統(tǒng)調(diào)用向量；最后調(diào)用 cpu_init() 完善對 CPU 的初始化，用于支持進(jìn)程調(diào)度機(jī)制，包括設(shè)定標(biāo)志位寄存器、任務(wù)寄存器、初始化程序調(diào)試相關(guān)寄存器等等。
• (6)執(zhí)行 rcu_init() ，初始化系統(tǒng)中的 Read-Copy Update 互斥機(jī)制。
• (7)執(zhí)行 init_IRQ() 函數(shù)，初始化用于外設(shè)的中斷，完成對 IDT 的最終初始化過程。
• (8)執(zhí)行 init_timers()，softirq_init() 和 time_init() 函數(shù)，分別初始系統(tǒng)的定時器機(jī)制，軟中斷機(jī)制以及系統(tǒng)日期和時間。
• (9)執(zhí)行 mem_init() 函數(shù)，初始化物理內(nèi)存頁面的 page 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述符，完成對物理內(nèi)存管理機(jī)制的創(chuàng)建。
• (10)執(zhí)行 kmem_cache_init() ，完成對通用 slab 緩沖區(qū)管理機(jī)制的初始化工作。
• (11)執(zhí)行 fork_init()，計算出當(dāng)前系統(tǒng)的物理內(nèi)存容量能夠允許創(chuàng)建的進(jìn)程（線程）數(shù)量。
• (12)執(zhí)行 proc_caches_init()，bufer_init()，unnamed_dev_init()，vfs_caches_init()，signals_init() 等函數(shù)對各種管理機(jī)制建立起專用的 slab 緩沖區(qū)隊列。
• (13 )執(zhí)行 proc_root_init()Wl數(shù)，對虛擬文件系統(tǒng)/proc進(jìn)行初始化。
• 在 start_kenrel() 的結(jié)尾，內(nèi)核通過 kenrel_thread() 創(chuàng)建出第一個系統(tǒng)內(nèi)核線程（即1號進(jìn)程），該線程執(zhí)行的是內(nèi)核中的 init() 函數(shù)，負(fù)責(zé)的是下一階段的啟動任務(wù)。最后調(diào)用 cpues_idle() 函數(shù)：進(jìn)入了系統(tǒng)主循環(huán)體口默認(rèn)將一直執(zhí)行 default_idle() 函數(shù)中的指令，即 CPU 的 halt 指令，直到就緒隊列中存在其他進(jìn)程需要被調(diào)度時才會轉(zhuǎn)向執(zhí)行其他函數(shù)。此時，系統(tǒng)中唯一存 在就緒狀態(tài)的進(jìn)程就是由 kerne_hread() 創(chuàng)建的 init 進(jìn)程（內(nèi)核線程），所以內(nèi)核并不進(jìn)入 default_idle() 函數(shù)，而是轉(zhuǎn)向 init() 函數(shù)繼續(xù)啟動過程。

初始化環(huán)境

內(nèi)核被加載后，第一個運(yùn)行的程序便是 /sbin/init，該文件會讀取 /etc/inittab 文件，并依據(jù)此文件來進(jìn)行初始化工作。

其實(shí) /etc/inittab 文件最主要的作用就是設(shè)定 Linux 的運(yùn)行等級，其設(shè)定形式是“：id:5:initdefault:”，這就表明Linux需要運(yùn)行在等級5上。Linux 的運(yùn)行等級設(shè)定如下：

• 0：關(guān)機(jī)
• 1：單用戶模式
• 2：無網(wǎng)絡(luò)支持的多用戶模式
• 3：有網(wǎng)絡(luò)支持的多用戶模式
• 4：保留，未使用
• 5：有網(wǎng)絡(luò)支持有X-Window支持的多用戶模式
• 6：重新引導(dǎo)系統(tǒng)，即重啟

配置系統(tǒng)環(huán)境

在設(shè)定了運(yùn)行等級后，Linux 系統(tǒng)執(zhí)行的第一個用戶層文件就是 /etc/rc.d/rc.sysinit 腳本程序，它做的工作非常多，包括設(shè)定 PATH、 設(shè)定網(wǎng)絡(luò)配置（/etc/sysconfig/network）、啟動 swap 分區(qū)、設(shè)定 /proc 等等。如果你有興趣，可以到 /etc/rc.d 中查看一下 rc.sysinit 文件。

系統(tǒng)初始化的大致內(nèi)容總結(jié)如下：

在系統(tǒng)啟動過程中主要的腳本和目錄有:

boot /grub /boot/grub/grub.conf /boot/initrd+內(nèi)核版本 /initrd文件中的/proc/ /sys/ /dev/ 目錄的掛載 及根的切換 /etc/inittab 腳本 /etc/rc.d/rc.sysinit 腳本 等

線程 init 的最終完成狀態(tài)是能夠使得一般的用戶程序可以正常地被執(zhí)行，從而真正完成可供應(yīng)用程序運(yùn)行的系統(tǒng)環(huán)境。它主要進(jìn)行的操作有:

• (1) 執(zhí)行函數(shù) do_basic_setup()，它會對外部設(shè)備進(jìn)行全面地初始化。
• (2) 構(gòu)建系統(tǒng)的虛擬文件系統(tǒng)目錄樹，掛接系統(tǒng)中作為根目錄的設(shè)備（其具體的文件系統(tǒng)已經(jīng)在上一步驟中注冊）。
• (3) 打開設(shè)備 /dev/console，并通過函數(shù) sys_dup() 打開的連接復(fù)制兩次，使得文件號 0, 1, 2 全部指向控制臺。這三個文件連接就是通常所說的“標(biāo)準(zhǔn)輸入”stdin，“標(biāo)準(zhǔn)輸出”stdout 和“標(biāo)準(zhǔn)出錯信息”stderr 這三個標(biāo)準(zhǔn) I/O 通道。
• (4) 準(zhǔn)備好以上一切之后，系統(tǒng)開始進(jìn)入用戶層的初始化階段。內(nèi)核通過系統(tǒng)調(diào)用execve()加載執(zhí)T子相應(yīng)的用戶層初始化程序，依次嘗試加載程 序"/sbin/initl"," /etc/init"," /bin/init'，和“/bin/sh。只要其中有一個程序加載獲得成功，那么系統(tǒng)就將開始用戶層的初始化，而不會再回到init()函數(shù)段中。至 此，init()函數(shù)結(jié)束，Linux內(nèi)核的引導(dǎo) 部分也到此結(jié)束。

啟動內(nèi)核模塊

具體是依據(jù) /etc/modules.conf 文件或 /etc/modules.d 目錄下的文件來裝載內(nèi)核模塊。

啟動第八步－－執(zhí)行不同運(yùn)行級別的腳本程序

根據(jù)運(yùn)行級別的不同，系統(tǒng)會運(yùn)行 rc0.d 到 rc6.d 中的相應(yīng)的腳本程序，來完成相應(yīng)的初始化工作和啟動相應(yīng)的服務(wù)。

啟動第九步－－執(zhí)行 /etc/rc.d/rc.local

你如果打開了此文件，里面有一句話，讀過之后，你就會對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 留給用戶進(jìn)行個性化的地方。你可以把你想設(shè)置和啟動的東西放到這里。

進(jìn)入登錄狀態(tài)

此時，系統(tǒng)執(zhí)行 /bin/login 程序，已經(jīng)進(jìn)入到了等待用戶輸入用戶名和密碼的時候了，你已經(jīng)可以用自己的帳號登入系統(tǒng)了。