linux内核启动流程

linux内核启动流程
计算机在启动时都是先加电,
然后进行硬件检测并引导操作系统的初始化程序,
然后操作系统的初始化程序程负责读入系统内核并建产系统的运行环境.
一这过程相对来说比较复而且与CPU体系结构相关,这里我们通过linux并以i386的体系结构对这一过程进行较为详细的说明. 

1、硬件检测 
. 当机器加电后它首先执行BIOS(基本输入输出系统)中的代码，BIOS首先执行加电自检程序(POST)，当自检通过程便完成了硬件的启动。
. POST程序通过对内存及其他硬件的设备的诊断检测确定硬件的存在并可正确操作。
. BIOS是固化在芯片里的程序，执行这一过程一般只需要几秒钟。
. 当自检完成后 BIOS按照系统COMS中设置的启动顺序搜寻有效的启动驱动器(这里我们以硬盘为例)，
  并读入系统引导扇区，并将系统控制权交给引导程序。 

2、加载和执行引导程序 
系统引导程序主要是把系统内核装载到内存，启动盘必须在第一个逻辑磁道上包含引导记录。
这512个字节的扇区又被称作是引导扇区，

在系统完成加电自检后， BIOS从启动盘中将引导扇区读入到内存中。
引导记录中包含了一些磁盘的物理特性的参数。

在引导扇区被读入内存后，BIOS就能从这里读取到启动盘的物理参数。
一旦引导记录加载完毕，BIOS就交出系统的执行控制权，跳转到引导程序 的头部执行。

引导记录开头是一条无条件转移指令，它将立即跳转到地址0x03e执行引导程序，
在引导扇区中这个引导程序将从磁盘中读出其他几个更为复杂的程序并由它们加载系统内核。 

Linux的 引导程序由汇编代码文件arch/i386/boot/bootsect.S生成，
它利用对BIOS功能的调用将 arch/i386/boot/下的setup.S文件和内核映象加载到内存。
i386的体系结构的CPU分保护模式和实模式两种，在实模式下只能使用低端的640K内存。

系统在加载引导程序时CPU是处在实模式下，而现在的内核映象文件一般都超过了640K的限制，即使是经过压缩过的内核映象，
这个内核映象文件通常是bzImage,我们在编译内核时通常要用到这个文件。

由于bzImage超出了640K这一限制，所以linux设计了一个 bootsect_helper子程序(定义在arch/i386/boot/setup.S中)，
引导程序通过循环调用bootsect_helper 将内核映象一块一块的装入内存，当内核加载完毕，系统跳转到setup.S的开始位置开始执行，
setup.S仍在实模式下运行，主要功能是设置系统参数 (如：内存、磁盘等),
并为进入保护模式做准备,最后进入到保护模式并跳转到内核映象文件的头部开始执行内核。

这里提一下有关linux的 引导程序 lilo和grub，lilo和grub可以引导多个系统，
如果机器上要装多系统的话一般都会用到它们，这一引导程序也储存在引导扇区中或者存放在主引导 记录中(MBR)，
lilo和grub都许允用户自己配置，它们在系统安装时建立了关于系统内核占用磁盘数据块的位置对照表。
当用户选择启动linux系统后，同样也跳转到setup.S上运行。 

3、内核初始化 
当setup.S执行完后，CPU进行保护模式，并开始执行内核，
. 如果内核是经过压缩的，那么首先执行 arch/i386/boot/compressed目录下的head.S建立堆栈并解压内核映象文件，
  然后再转入arch/i386/kernel下的 head.S。
. 如果没有压缩则直接转到arch/i386/kernel下的head.S开始执行。

arch/i386/kernel/head.S程序负责数据区(BBS)、中断描述表(IDT)、段描述表(GDT)、页表和寄存器的初始化。
最后进入start_kernel()模块。 
此时系统运行在内核模式(0级别)下，转入到init/main.c中的start_kernel()。

start_kernel()继续其他方面的初始化工作，主要是初始化系统的核心数据结构，主要包括： 
  setup_arch():执行与体系结构相关的设置。 
  trap_init():设置各种入口地址。 
  init_IRQ():初始化IRQ中断处理机制。 
  sched_init():设置并启动第一个进程init_task()。 
  softirq_init():对软中断子系统进行初始化。 
  console_init():初始化控制台、显示器. 
  init_modules():初始化kernel_module。 
  fork_init():定义系统最大进程数. 
  最后进入rest_init()函数并调用kernel_thread()创建init内核线程,进行系统配置。 

init内核线程占用进程描述表的第一项，由它来创建其他完成系统初始他的进程。 
init内核线程首先要销定内核，然后调用do_basic_setup()来初始化外部设备及加载驱动程序。
主要的初始化工作包括： 
  PCI总线初始化。 
  网络初始化。 
  文件系统初始化。 
  加载文件系统。 

在do_basic_setup()调用完成后，init()会释放初始化函数据占用的内存，
并且打开/dev/console 设备重新定向控制台,用系统调用execve来执行用户态程序/sbin/init。
至此，linux的内核初始化工作完成。 

4. 下面的工作就由用户态的/sbin/init程序来完成。
init程序程读取/etc/inittab文件来决定它具体的工作。在inittab中比较重要的几条是： 
id:5:initdefault 决定操作系统启动时缺省的执行级别(这里说讲的是系统的运行级别，而不同于CPU的级别) 
si:sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit 执行/etc/rc.d/rc.sysinit的脚本。
rc.sysinit主要的工作是 激活交换分区、检查磁盘、加载硬件模块。 
1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1 显示登录界面 
至此，整个系统的引导过程就完成了。