Linux的核心启动流程

下面以RedHat Fedora Core5(Linux 2.6.15-1.2054_FC5)为基础说说Linux的启动流程。
打开计算机电源后，第一个执行的程序是ROM BIOS，该程序根据设置选择一个引导设备，比如软盘、硬盘、光盘或者USB盘等，然后读入引导设备上的一小段程序(称为BootLoader，常见的有lilo，grub等)。
BootLoader会读入相关的引导选单并执行。一般的引导选单上会指定从哪个设备的哪个分区读入操作系统内核，给操作系统传入哪些命令行参数(cmdline)、初始的RAMDISK(initrd)等等。BootLoader将系统核心以及initrd读入内存并传递好cmdline/initrd后就结束了自己的使命，控制权转移到Linux kernel。
我采用的BootLoader是grub，被安装在第一个SCSI盘的第一个分区上，其上的grub.conf内容如下(#后的注释是我加的，下同):
default=0
timeout=5
splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz
title Fedora Core (2.6.15-1.2054_FC5)
root (hd0,0) # 指定操作系统内核(Kernel)文件所在的磁盘和分区
kernel /vmlinuz-2.6.15-1.2054_FC5 ro root=LABEL=/ # 指定操作系统的文件名称以及cmdline
initrd /initrd-2.6.15-1.2054_FC5.img # 指定initrd
title MiniLinux-USB (2.6.15-1.2054_FC5)
root (hd1,0)
kernel /boot/vmlinuz-2.6.15-1.2054_FC5 ro root=/dev/ram0
initrd /boot/initrd-minilinux-usb.img
操作系统内核(Kernel)会执行各种必要的初始化如内存页表、进程表等等数据结构，初始化被编译到Kernel的内核模块以及设备驱动等等，很多初始化都需要分析cmdline以便在多个策略中选择。
接下来的启动流程分为两个分支：
1) 如果BootLoader指定了initrd，则解压initrd指定的初始RAM DISK映像到/dev/ram0并挂装/dev/ram0作为根文件系统，然后执行/init。
/init的目的一般是装载最终的根文件系统所必须的文件系统内核模块，建立一些设备特别文件并挂装最终的根文件系统（如果不是/dev/ram0）。
我安装的RedHat FC5的initrd-2.6.15-1.2054_FC5.img文件是个gzip压缩过的cpio文件，在启动完成后位于/boot目录下（因为启动分区被安装在/boot目录下, 参见下篇“linux的应用启动流程”一文）。我们可以执行下述命令提取其内容
mkdir -p xxx
cd xxx
gunzip -c /boot/initrd-2.6.15-1.2054_FC5.img | cpio -idv
我们可以看到下面有很多目录和文件：
bin/ dev/ etc/ init* lib/ proc/ sbin@ sys/ sysroot/
./bin:
insmod* modprobe@ nash*
./dev:
console null ram@ ram1 systty tty0 tty10 tty12 tty3 tty5 tty7 tty9 ttyS1 ttyS3
mapper/ ptmx ram0 rtc tty tty1 tty11 tty2 tty4 tty6 tty8 ttyS0 ttyS2 zero
./dev/mapper:
./etc:
./lib:
BusLogic.ko ext3.ko jbd.ko scsi_mod.ko sd_mod.ko
./proc:
./sys:
./sysroot:
其中/init内容如下：
#!/bin/nash #由/bin/nash解释执行
mount -t proc /proc /proc #挂装proc文件系统
setquiet #安静模式
echo Mounting proc filesystem
echo Mounting sysfs filesystem
mount -t sysfs /sys /sys #挂装sysfs文件系统
echo Creating /dev
mount -o mode=0755 -t tmpfs /dev /dev
mkdir /dev/pts
mount -t devpts -o gid=5,mode=620 /dev/pts /dev/pts
mkdir /dev/shm
mkdir /dev/mapper
echo Creating initial device nodes
mknod /dev/null c 1 3
mknod /dev/zero c 1 5
mknod /dev/systty c 4 0
mknod /dev/tty c 5 0
mknod /dev/console c 5 1
mknod /dev/ptmx c 5 2
mknod /dev/rtc c 10 135
mknod /dev/tty0 c 4 0
mknod /dev/tty1 c 4 1
mknod /dev/tty2 c 4 2
mknod /dev/tty3 c 4 3
mknod /dev/tty4 c 4 4
mknod /dev/tty5 c 4 5
mknod /dev/tty6 c 4 6
mknod /dev/tty7 c 4 7
mknod /dev/tty8 c 4 8
mknod /dev/tty9 c 4 9
mknod /dev/tty10 c 4 10
mknod /dev/tty11 c 4 11
mknod /dev/tty12 c 4 12
mknod /dev/ttyS0 c 4 64
mknod /dev/ttyS1 c 4 65
mknod /dev/ttyS2 c 4 66
mknod /dev/ttyS3 c 4 67 #以上创建必要的设备特别文件
echo Setting up hotplug.
hotplug # 设置可以热插拔的设备插拔时的处理程序
echo Creating block device nodes.
mkblkdevs # 利用sysfs文件系统自动创建当前发现的块设备的特别文件，关于sysfs将是另一篇文章的内容了
echo "Loading jbd.ko module"
insmod /lib/jbd.ko
echo "Loading ext3.ko module"
insmod /lib/ext3.ko
echo "Loading scsi_mod.ko module"
insmod /lib/scsi_mod.ko
echo "Loading sd_mod.ko module"
insmod /lib/sd_mod.ko
echo "Loading BusLogic.ko module"
insmod /lib/BusLogic.ko # 前面几个insmod装载接下来挂装最终的根文件系统所必需的驱动程序模块
mkblkdevs # 创建刚刚这些驱动程序发现并注册到sysfs文件系统中的块设备的特别文件
echo Creating root device.
mkrootdev -t ext3 -o defaults,ro /dev/root # 分析kernel cmdline寻找根文件设备并创建一个特别文件指向该设备(如果是以“LABEL=”开始则自动寻找分区表上对应该LABEL的分区)并加入到/etc/fstab中
echo Mounting root filesystem.
mount /sysroot #将最终的根文件系统临时挂装到/sysroot下
echo Setting up other filesystems.
setuproot # 设置proc,sys等文件系统到/sysroot下
echo Switching to new root and running init.
switchroot # 将/sysroot切换为最终的根文件系统，并执行其上的/init，见后
2) 如果BootLoader没有指定initrd，直接挂装cmdline上指定的root设备作为根文件系统，接下来按照下面的顺序寻找init程序并建立第一个进程:
run_init_process("/sbin/init"); // 找到就建立第一个进程(pid=0)，不会返回了，下面三行同此
run_init_process("/etc/init");
run_init_process("/bin/init");
run_init_process("/bin/sh");
panic("No init found. Try passing init= option to kernel."); // 寻找不到，打印错误信息，系统挂起
不管是哪个分支，到此为止，核心启动流程结束，后面由最终的根文件系统上的init控制转入应用启动流程，这个待下篇文章再说吧。