Linux的启动和核心介绍
时间：2007-02-17 来源：PHP爱好者
前几天大家对Linux的启动有些讨论。
于是整理了一下前段时间与他人交流的提纲，希望起到抛砖引玉的作用。
[email protected]
这是一次对Linux介绍后的整理。
对象是一些刚对Linux核心感兴趣，并且准备进一步研究和改造的同志。
因为是由提纲整理而成，有些乱，见谅！
四部分内容：
一、Linux核心源码结构介绍
二、编译和配置的过程
三、系统启动顺序的相关文件
四、核心改造的一些经验
一、
当我们安装好一个Linux系统，通常核心源码存放在/usr/src/linux/目录。
下面先看看这目录下的各个子目录及文件。
[/]#cd /usr/src/linux
[linux]#ls -aF
./ MAINTAINERS drivers/ kernel/ scripts/
../ Makefile fs/ lib/
COPYING README include/ mm/
CREDITS Rules.make init/ modules/
Documentation/ arch/ ipc/ net/
下面我们逐一描述：
COPYING
GPL版权申明，看后你至少应该知道，你对具有GPL版权的源代码改动而形成的程序，或使用GPL工具产生的程序，具有使用GPL发表的义务。其中之一就是公开源代码。
CREDITS
光荣榜，你应当感谢的一些人的信息，其中的每一个人都对Linux做出过很大贡献。
Documentation/
文档目录，可有选择地看一下你感兴趣的部分
MAINTAINERS
维护人员列表，对当前版本的内核各部分都有谁负责，如果你研究的够深入，可以与他们讨论
Makefile
如果你在UNIX编译过程序，可以看明白README，Linus 所写，核心及其编译配置方法简单介绍Rules.make： make时使用的一些共同规则
arch/
architecture（体系结构）我关心的i386启动过程在其中，包括Linux在多种平台下的实现。如果要移植系统到一个新的CPU环境中，这就是你要关心的目录
drivers/
驱动程序目录，包含大量设备驱动的实现，按类别分子目录
fs/
文件系统，实现了当前流行的几乎所有文件系统。Cool
include/
嵌入文件目录
init/
初始化文件，包含main.c和version.c两个文件。Initialize
ipc/
ipc的实现，与SYS V兼容
kernel/
最核心代码，调度，中断，信号等的处理
lib/
一些工具。
Mm/
内存管理，Memory Manager，虚拟页、缓冲的实现。
Modules/
模块文件目录，用于存放编译时产生的模块目标文件（参考编译过程）
net/
网络实现，包括TCP/IP在内的大量网络协议的实现。
Scripts/
描述文件，脚本，用于对核心的配置。
二、
构造内核
常用命令包括：
make config, dep, clean, mrproper, zImage, bzImage, modules, modules_install
(1) make config
核心配置，调用./scripts/Configure 按照arch/i386/config.in 来进行配置。
命令执行完后产生文件.config，其中保存着配置信息。下一次再做make config将产生新的.config文件，原.config被改名为.config.old
(2)make dep
寻找依存关系，产生两个文件.depend和.hdepend。其中.hdepend表示每个.h文件都包含其它哪些嵌入文件。而.depend 文件有多个，在每个会产生目标文件(.o)文件的目录下均有，它表示每个目标文件都依赖哪些嵌入文件(.h)。
(3)make clean
清出以前构核所产生的所有目标文件、模块文件、核心以及一些临时文件等，不产生任何文件。
(4)make rmproper
删除所有因构核过程中产生的所有文件，及除了做make clean外，还要删除.config，.depend等文件，把核心源码恢复到最原始的状态。下次构核时就必须重新配置了。
(5)make, make zImage, make bzImage
make:
构核。通过各目录的Makefile文件进行。会在各个目录下产生一大堆目标文件，若核心代码没有错误，将产生文件vmlinux，这就是所构的核心。并产生映射文件System.map通过各目录的Makefile文件进行。.version 文件中的数加1，表示版本号（又产生一个新的版本了），让你明白，你已经对核心改动过多少次了。
Make zImage：
在make的基础上产生压缩的核心映象文件./arch/$(ARCH)/boot/zImage以及在./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目录下产生一些临时文件。
Make bzImage:
在make 的基础上产生压缩比例更大的核心映象文件./arch/$(ARCH)/boot/bzImage以及在./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目录下产生一些临时文件。在核心太大时进行。
(6)make modules
编译模块文件，你在make config时所配置的所有模块将在这时编译，形成模块目标文件，并把这些目标文件存放在modules目录中。使用如下命令看一看。
Ls modules
(7)make modules_install
把上面编译好的模块目标文件目录/lib/modules/$KERNEL_VERSION/ 中。比如我的版本是2.0.36，做完这个操作后可使用下面的命令看看：
ls /lib/modules/2.0.36/
相关的命令还有很多，有兴趣可看相关资料和Makefile文件。
另外注意，这儿我们产生了一些隐含文件
.config
.oldconfig
.depend
.hdepend
.version
它们的意义应该很清楚了。
三、
系统的启动顺序及相关文件
仍在核心源码目录下，看以下几个文件
./arch/$ARCH/boot/bootsect.s
./arch/$ARCH/boot/setup.s
./init/main.c
bootsect.S 及 setup.S
这个程序是linux kernel的第一个程序，包括了linux自己的bootstrap程序，但是在说明这个程序前，必须先说明一般IBM PC开机时的动作(此处的开机是指"打开PC的电源"):
一般PC在电源一开时，是由内存中地址FFFF:0000开始执行(这个地址一定在ROM BIOS中，ROM BIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中)，而此处的内容则是一个jump指令，jump到另一个位於ROM BIOS中的位置，开始执行一系列的动作，包括了检查RAM，keyboard，显示器，软硬磁盘等等，这些动作是由系统测试代码(system test code)来执行的，随着制作BIOS厂商的不同而会有些许差异，但都是大同小异，读者可自行观察自家机器开机时，萤幕上所显示的检查讯息。
紧接着系统测试码之后，控制权会转移给ROM中的启动程序(ROM bootstrap routine)，这个程序会将磁盘上的第零轨第零扇区读入内存中(这就是一般所谓的boot sector，如果你曾接触过电脑病，
毒，就大概听过它的大名)，至於被读到内存的哪里呢? --绝对位置07C0:0000(即07C00h处)，这是IBM系列PC的特性。而位在linux开机磁盘的boot sector上的正是linux的bootsect程序，也就是说，bootsect是第一个被读入内存中并执行的程序。现在，我们可以开始来看看到底bootsect做了什么。
第一步
首先，bootsect将它"自己"从被ROM BIOS载入的绝对地址0x7C00处搬到0x90000处，然后利用一个jmpi(jump indirectly)的指令，跳到新位置的jmpi的下一行去执行，
第二步
接着，将其他segment registers包括DS，ES，SS都指向0x9000这个位置，与CS看齐。另外将SP及DX指向一任意位移地址( offset )，这个地址等一下会用来存放磁盘参数表(disk para- meter table )
第三步
接着利用BIOS中断服务int 13h的第0号功能，重置磁盘控制器，使得刚才的设定发挥功能。
第四步
完成重置磁盘控制器之后，bootsect就从磁盘上读入紧邻着bootsect的setup程序，也就是setup.S，此读入动作是利用BIOS中断服务int 13h的第2号功能。Setup的image将会读入至程序所指定的内存绝对地址0x90200处，也就是在内存中紧邻着bootsect 所在的位置。待setup的image读入内存后，利用BIOS中断服务int 13h的第8号功能读取目前磁盘的参数。
第五步
再来，就要读入真正linux的kernel了，也就是你可以在linux的根目录下看到的"vmlinuz" 。在读入前，将会先呼叫BIOS中断服务int 10h 的第3号功能，读取游标位置，之后再呼叫BIOS 中断服务int 10h的第13h号功能，在萤幕上输出字串"Loading"，这个字串在boot linux时都会首先被看到，相信大家应该觉得很眼熟吧。
第六步
接下来做的事是检查root device，之后就仿照一开始的方法，利用indirect jump 跳至刚刚已读入的setup部份比较
把大家所熟知的MS DOS 与linux的开机部份做个粗浅的比较，MS DOS 由位於磁盘上boot sector的boot程序负责把IO.SYS载入内存中，而IO.SYS则负有把DOS的kernel --MSDOS.SYS载入内存的重责大任。而linux则是由位於boot sector 的
bootsect程序负责把setup及linux的kernel载入内存中，再将控制权交给setup。
##这几步内容主要参照一个台湾同胞写的文档，setup.s的内容希望有人补充。
Start_kernel()
当核心被载入后，首先进入的函数就是start_kernel。
./init/main.c 中函数start_kernel包含核心的启动过程及顺序。
通过它来看核心整个初始化过程。
首先进行一系列初始化，包括：
trap_init(); ##./arch/i386/kernel/traps.c 陷入
init_IRQ(); ##./arch/i386/kernel/irq.c setup IRQ
sched_init(); ##./kernel/sched.c 调度初始化，并初始化bottom_half
time_init(); ##./arch/i386/kernel/time.c
init_modules(); ##模块初始化
mem_init(memory_start,memory_end);
buffer_init(); ## ./fs/buffer.c 缓冲区
sock_init(); ## ./net/socket.c socket初始化，并初始化各协议(TCP等）
ipc_init();
sysctl_init();
然后通过调用kernelthread()产生init进程，全权交由init进程处理。调用cpu_idle(NULL)休息。
感兴趣又有时间的同志可以写一个startkernel()函数的详细分析报告。
下面看一看init进程的工作：
首先创建进程
bdflush ##./fs/buffer.c 缓冲区管理
和kswapd ##./mm/vmscan.c 虚拟内存管理
这两个进程非常重要
系统初始化（系统调用setup）
系统初始化包含设备初始化及各文件系统初始化。
Sys_setup （./fs/filesystems.c）
|
|-device_setup
| |
| -- chr_dev_init(); ##字符设备
| blk_dev_init(); ##块设备
| scsi_dev_init(); ##SCSI
| net_dev_init(); ##网络设备
| console_map_init(); ##控制台
|-binfmt_setup();
|-init_nls() ##各文件系统初始化
|-init_ext_fs()
|-init_ext2_fs()
. .
. .
. .
|-init_autofs_fs()
--mount_root() ##mount root fs
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对象是一些刚对Linux核心感兴趣，并且准备进一步研究和改造的同志。
因为是由提纲整理而成，有些乱，见谅！
四部分内容：
一、Linux核心源码结构介绍
二、编译和配置的过程
三、系统启动顺序的相关文件
四、核心改造的一些经验
一、
当我们安装好一个Linux系统，通常核心源码存放在/usr/src/linux/目录。
下面先看看这目录下的各个子目录及文件。
[/]#cd /usr/src/linux
[linux]#ls -aF
./ MAINTAINERS drivers/ kernel/ scripts/
../ Makefile fs/ lib/
COPYING README include/ mm/
CREDITS Rules.make init/ modules/
Documentation/ arch/ ipc/ net/
下面我们逐一描述：
COPYING
GPL版权申明，看后你至少应该知道，你对具有GPL版权的源代码改动而形成的程序，或使用GPL工具产生的程序，具有使用GPL发表的义务。其中之一就是公开源代码。
CREDITS
光荣榜，你应当感谢的一些人的信息，其中的每一个人都对Linux做出过很大贡献。
Documentation/
文档目录，可有选择地看一下你感兴趣的部分
MAINTAINERS
维护人员列表，对当前版本的内核各部分都有谁负责，如果你研究的够深入，可以与他们讨论
Makefile
如果你在UNIX编译过程序，可以看明白README，Linus 所写，核心及其编译配置方法简单介绍Rules.make： make时使用的一些共同规则
arch/
architecture（体系结构）我关心的i386启动过程在其中，包括Linux在多种平台下的实现。如果要移植系统到一个新的CPU环境中，这就是你要关心的目录
drivers/
驱动程序目录，包含大量设备驱动的实现，按类别分子目录
fs/
文件系统，实现了当前流行的几乎所有文件系统。Cool
include/
嵌入文件目录
init/
初始化文件，包含main.c和version.c两个文件。Initialize
ipc/
ipc的实现，与SYS V兼容
kernel/
最核心代码，调度，中断，信号等的处理
lib/
一些工具。
Mm/
内存管理，Memory Manager，虚拟页、缓冲的实现。
Modules/
模块文件目录，用于存放编译时产生的模块目标文件（参考编译过程）
net/
网络实现，包括TCP/IP在内的大量网络协议的实现。
Scripts/
描述文件，脚本，用于对核心的配置。
二、
构造内核
常用命令包括：
make config, dep, clean, mrproper, zImage, bzImage, modules, modules_install
(1) make config
核心配置，调用./scripts/Configure 按照arch/i386/config.in 来进行配置。
命令执行完后产生文件.config，其中保存着配置信息。下一次再做make config将产生新的.config文件，原.config被改名为.config.old
(2)make dep
寻找依存关系，产生两个文件.depend和.hdepend。其中.hdepend表示每个.h文件都包含其它哪些嵌入文件。而.depend 文件有多个，在每个会产生目标文件(.o)文件的目录下均有，它表示每个目标文件都依赖哪些嵌入文件(.h)。
(3)make clean
清出以前构核所产生的所有目标文件、模块文件、核心以及一些临时文件等，不产生任何文件。
(4)make rmproper
删除所有因构核过程中产生的所有文件，及除了做make clean外，还要删除.config，.depend等文件，把核心源码恢复到最原始的状态。下次构核时就必须重新配置了。
(5)make, make zImage, make bzImage
make:
构核。通过各目录的Makefile文件进行。会在各个目录下产生一大堆目标文件，若核心代码没有错误，将产生文件vmlinux，这就是所构的核心。并产生映射文件System.map通过各目录的Makefile文件进行。.version 文件中的数加1，表示版本号（又产生一个新的版本了），让你明白，你已经对核心改动过多少次了。
Make zImage：
在make的基础上产生压缩的核心映象文件./arch/$(ARCH)/boot/zImage以及在./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目录下产生一些临时文件。
Make bzImage:
在make 的基础上产生压缩比例更大的核心映象文件./arch/$(ARCH)/boot/bzImage以及在./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目录下产生一些临时文件。在核心太大时进行。
(6)make modules
编译模块文件，你在make config时所配置的所有模块将在这时编译，形成模块目标文件，并把这些目标文件存放在modules目录中。使用如下命令看一看。
Ls modules
(7)make modules_install
把上面编译好的模块目标文件目录/lib/modules/$KERNEL_VERSION/ 中。比如我的版本是2.0.36，做完这个操作后可使用下面的命令看看：
ls /lib/modules/2.0.36/
相关的命令还有很多，有兴趣可看相关资料和Makefile文件。
另外注意，这儿我们产生了一些隐含文件
.config
.oldconfig
.depend
.hdepend
.version
它们的意义应该很清楚了。
三、
系统的启动顺序及相关文件
仍在核心源码目录下，看以下几个文件
./arch/$ARCH/boot/bootsect.s
./arch/$ARCH/boot/setup.s
./init/main.c
bootsect.S 及 setup.S
这个程序是linux kernel的第一个程序，包括了linux自己的bootstrap程序，但是在说明这个程序前，必须先说明一般IBM PC开机时的动作(此处的开机是指"打开PC的电源"):
一般PC在电源一开时，是由内存中地址FFFF:0000开始执行(这个地址一定在ROM BIOS中，ROM BIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中)，而此处的内容则是一个jump指令，jump到另一个位於ROM BIOS中的位置，开始执行一系列的动作，包括了检查RAM，keyboard，显示器，软硬磁盘等等，这些动作是由系统测试代码(system test code)来执行的，随着制作BIOS厂商的不同而会有些许差异，但都是大同小异，读者可自行观察自家机器开机时，萤幕上所显示的检查讯息。
紧接着系统测试码之后，控制权会转移给ROM中的启动程序(ROM bootstrap routine)，这个程序会将磁盘上的第零轨第零扇区读入内存中(这就是一般所谓的boot sector，如果你曾接触过电脑病，
毒，就大概听过它的大名)，至於被读到内存的哪里呢? --绝对位置07C0:0000(即07C00h处)，这是IBM系列PC的特性。而位在linux开机磁盘的boot sector上的正是linux的bootsect程序，也就是说，bootsect是第一个被读入内存中并执行的程序。现在，我们可以开始来看看到底bootsect做了什么。
第一步
首先，bootsect将它"自己"从被ROM BIOS载入的绝对地址0x7C00处搬到0x90000处，然后利用一个jmpi(jump indirectly)的指令，跳到新位置的jmpi的下一行去执行，
第二步
接着，将其他segment registers包括DS，ES，SS都指向0x9000这个位置，与CS看齐。另外将SP及DX指向一任意位移地址( offset )，这个地址等一下会用来存放磁盘参数表(disk para- meter table )
第三步
接着利用BIOS中断服务int 13h的第0号功能，重置磁盘控制器，使得刚才的设定发挥功能。
第四步
完成重置磁盘控制器之后，bootsect就从磁盘上读入紧邻着bootsect的setup程序，也就是setup.S，此读入动作是利用BIOS中断服务int 13h的第2号功能。Setup的image将会读入至程序所指定的内存绝对地址0x90200处，也就是在内存中紧邻着bootsect 所在的位置。待setup的image读入内存后，利用BIOS中断服务int 13h的第8号功能读取目前磁盘的参数。
第五步
再来，就要读入真正linux的kernel了，也就是你可以在linux的根目录下看到的"vmlinuz" 。在读入前，将会先呼叫BIOS中断服务int 10h 的第3号功能，读取游标位置，之后再呼叫BIOS 中断服务int 10h的第13h号功能，在萤幕上输出字串"Loading"，这个字串在boot linux时都会首先被看到，相信大家应该觉得很眼熟吧。
第六步
接下来做的事是检查root device，之后就仿照一开始的方法，利用indirect jump 跳至刚刚已读入的setup部份比较
把大家所熟知的MS DOS 与linux的开机部份做个粗浅的比较，MS DOS 由位於磁盘上boot sector的boot程序负责把IO.SYS载入内存中，而IO.SYS则负有把DOS的kernel --MSDOS.SYS载入内存的重责大任。而linux则是由位於boot sector 的
bootsect程序负责把setup及linux的kernel载入内存中，再将控制权交给setup。
##这几步内容主要参照一个台湾同胞写的文档，setup.s的内容希望有人补充。
Start_kernel()
当核心被载入后，首先进入的函数就是start_kernel。
./init/main.c 中函数start_kernel包含核心的启动过程及顺序。
通过它来看核心整个初始化过程。
首先进行一系列初始化，包括：
trap_init(); ##./arch/i386/kernel/traps.c 陷入
init_IRQ(); ##./arch/i386/kernel/irq.c setup IRQ
sched_init(); ##./kernel/sched.c 调度初始化，并初始化bottom_half
time_init(); ##./arch/i386/kernel/time.c
init_modules(); ##模块初始化
mem_init(memory_start,memory_end);
buffer_init(); ## ./fs/buffer.c 缓冲区
sock_init(); ## ./net/socket.c socket初始化，并初始化各协议(TCP等）
ipc_init();
sysctl_init();
然后通过调用kernelthread()产生init进程，全权交由init进程处理。调用cpu_idle(NULL)休息。
感兴趣又有时间的同志可以写一个startkernel()函数的详细分析报告。
下面看一看init进程的工作：
首先创建进程
bdflush ##./fs/buffer.c 缓冲区管理
和kswapd ##./mm/vmscan.c 虚拟内存管理
这两个进程非常重要
系统初始化（系统调用setup）
系统初始化包含设备初始化及各文件系统初始化。
Sys_setup （./fs/filesystems.c）
|
|-device_setup
| |
| -- chr_dev_init(); ##字符设备
| blk_dev_init(); ##块设备
| scsi_dev_init(); ##SCSI
| net_dev_init(); ##网络设备
| console_map_init(); ##控制台
|-binfmt_setup();
|-init_nls() ##各文件系统初始化
|-init_ext_fs()
|-init_ext2_fs()
. .
. .
. .
|-init_autofs_fs()
--mount_root() ##mount root fs
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