《嵌入式 Linux应用程序开发标准教程（第2版）》——2.2 Linux启动过程详解

本节书摘来自异步社区《嵌入式 linux应用程序开发标准教程（第2版）》一书中的第2章，第2.2节，作者 华清远见嵌入式培训中心，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

在了解了linux的常见命令之后，下面详细讲解linux的启动过程。linux的启动过程包含了linux工作原理的精髓，而且在嵌入式开发过程中非常需要这方面的知识。

用户开机启动linux过程如下：

（1）当用户打开pc（intel cpu）的电源时，cpu将自动进入实模式，并从地址0xffff0000开始自动执行程序代码，这个地址通常是rom-bios中的地址。这时bios进行开机自检，并按bios中设置的启动设备（通常是硬盘）进行启动，接着启动设备上安装的引导程序lilo或grub开始引导linux（也就是启动设备的第一个扇区），这时，linux才获得了启动权。

（2）第二阶段，linux首先进行内核的引导，主要完成磁盘引导、读取机器系统数据、实模式和保护模式的切换、加载数据段寄存器以及重置中断描述符表等。

（3）第三阶段执行init程序（也就是系统初始化工作），init程序调用了rc.sysinit和rc等程序，而rc.sysinit和rc在完成系统初始化和运行服务的任务后，返回init。

（4）第四阶段，init启动mingetty，打开终端供用户登录系统，用户登录成功后进入了shell，这样就完成了从开机到登录的整个启动过程。

linux启动总体流程如图2.2所示，其中的4个阶段分别由同步棒隔开。第一阶段不涉及linux自身的启动过程，下面分别对第二和第三阶段进行详细讲解。

在grub或lilo等引导程序成功完成引导linux系统的任务后，linux就从它们手中接管了cpu的控制权。用户可以从（www.kernel.org)上下载最新版本的源码进行阅读，其目录为：linux-2.6../arch/i386/boot。在启动过程中主要用到该目录下的几个文件：bootsect.s、setup.s以及compressed子目录下的head.s等。

linux的内核通常是压缩过的，包括上述提到的那几个重要的汇编程序，它们都是在压缩内核vmlinuz中的。linux中提供的内核包含了众多驱动和功能，容量较大，压缩内核可以节省大量的空间，压缩的内核在启动时可以对自身进行解包。

（1）bootsect阶段。

当grub读入vmlinuz后，会根据bootsect（512字节）把它自身和setup程序段读到以不大于0x90000开始的的内存里（注意：在以往的引导协议里是放在0x90000，但现在有所变化），然后grub会跳过bootsect那512字节的程序段，直接运行setup里的第一跳指令。就是说bzimage里bootsect的程序没有再被执行了，而bootsect.s在完成了指令搬移以后就退出了。之后执行权就转到了setup.s的程序中。

（2）setup阶段。

setup.s的主要功能是利用rom bios中断读取机器系统数据，并将系统参数（包括内存、磁盘等）保存到以0x90000～0x901ff开始的内存中。

此外，setup.s还将video.s中的代码包含进来，检测和设置显示器和显示模式。

最后，它还会设置cpu的控制寄存器cr0（也称机器状态字），从而进入32位保护模式运行，并跳转到绝对地址为0x100000（虚拟地址0xc0000000+0x100000）的位置。当cpu跳到0x100000时，将执行“arch/i386/kernel/head.s”中的startup_32。

（3）head.s阶段。

当运行到head.s时，系统已经运行在保护模式，而head.s完成的一个重要任务就是将内核解压。内核是通过压缩的方式放在内存中的，head.s通过调用misc.c中定义的decompress_kernel()函数，将内核vmlinuz解压到0x100000。

接下来head.s程序完成寄存器、分页表的初始化工作，但要注意的是，这个head.s程序与完成解压缩工作的head.s程序是不同的，它在源代码中的位置是arch/i386/kernel/head.s。

在完成了初始化之后，head.s就跳转到start_kernel()函数中去了。

（4）main.c阶段。

start_kernel()是“init/main.c”中定义的函数，start_kernel()调用了一系列初始化函数，进行内核的初始化工作。要注意的是，在初始化之前系统中断仍然是被屏蔽的，另外内核也处于被锁定状态，以保证只有一个cpu用于linux系统的启动。

在start_kernel()的最后，调用了init()函数，也就是下面要讲述的init阶段。

在加载了内核之后，由内核执行引导的第一个进程是init进程，该进程号始终是“1”。init进程根据其配置文件“/etc/inittab”主要完成系统的一系列初始化的任务。由于该配置文件是init进程执行的惟一依据，因此先对它的格式进行统一讲解。

inittab文件中除了注释行外，每一行都有如下格式：

（1）id。

id是配置记录标识符，由1～4个字符组成，对于getty或mingetty等其他login程序项，要求id与tty的编号相同，否则getty程序将不能正常工作。

（2）runlevels。

runlevels是运行级别记录符，一般使用0～6以及s和s。其中，0、1、6运行级别为系统保留：0作为shutdown动作，1作为重启至单用户模式，6为重启；s和s意义相同，表示单用户模式，且无需inittab文件，因此也不在inittab中出现。7～9级别也是可以使用的，传统的unix系统没有定义这几个级别。

runlevel可以是并列的多个值，对大多数action来说，仅当runlevel与当前运行级别匹配成功才会执行。

（3）action。

action字段用于描述系统执行的特定操作，它的常见设置有：initdefault、sysinit、boot、bootwait、respawn等。

initdefault用于标识系统默认的启动级别。当init由内核激活以后，它将读取inittab中的initdefault项，取得其中的runlevel，并作为当前的运行级别。如果没有inittab文件，或者其中没有initdefault项，init将在控制台上请求输入runlevel。

sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行，忽略其中的runlevel。

respawn字段表示该类进程在结束后会重新启动运行。

（4）process。

process字段设置启动进程所执行的命令。

以下结合笔者系统中的inittab配置文件详细讲解该配置文件完成的功能。

1．确定用户登录模式

在“/etc/inittab”中列出了如下所示的登录模式，主要有单人维护模式、多用户无网络模式、文字界面多用户模式、x-windows多用户模式等。其中的单人维护模式（run level为1）类似于windows中的“安全模式”，在这种情况下，系统不加载复杂的模式从而使系统能够正常启动。在这些模式中最为常见的是3或5，其中本系统中默认的为5，也就是x-windows多用户模式。以下是在“/etc/inittab”文件中设置系统启动模式的部分。

2．执行/etc/rc.d/rc.sysinit

在确定了登录模式之后，就要开始将linux的主机信息读入系统，其过程是通过运行“/etc/rc.d/rc.sysinit”脚本而完成的。查看此文件可以看出，在这里确定了默认路径、主机名称、“/etc/sysconfig/network”中所记录的网络信息等。以下是在“/etc/inittab”文件中运行该脚本的部分。

3．加载内核的外挂模块，执行各运行级别的脚本以及进入用户登录界面

在此，主要是读取模块加载配置文件（/etc/modules.conf），以确认需要加载哪些模块。接下来会根据不同的运行级（run level），通过带参数（运行级）运行“/etc/rc.d/rc”脚本，加载不同的模块，启动系统服务。init进程会等待（wait）“/etc/rc.d/rc”脚本的返回。系统还需要配置一些异常关机的处理部分，最后通过“/sbin/mingetty”打开几个虚拟终端（tty1~tty6），用于用户登录。如果运行级为5（图形界面启动），则运行xdm程序，给用户提供xdm图形界面的登录方式。如果在本地打开一个虚拟终端，当这个终端超时没有用户登录或者太久没有用户击键时，该终端会退出执行，脚本中的“respawn”即告诉init进程重新打开该终端，否则在经过一段时间之后，我们会发现这个终端消失了，无法利用alt+fn切换。

以下是“/etc/inittab”文件中的相应部分。