CF卡上的Linux启动过程分析

CF卡上的Linux启动过程分析

   一个嵌入式linux操作系统可以简单的抽象为，引导程序bootloader、内核vmlinuz、文件系统filesystem。

    Bootloader是系统加电后运行的第一段代码，一般它只在启动系统时非常短的时间按内运行。对于linux系统来说，这是至关重要的一步。在系统中，整个bootloader由系统中的bios和u盘中MBR（主引导扇区）的一段代码来共同完成引导任务。这里我们采用grub引导方式。系统先将BIOS检测到的MBR内容读取到RAM中，然后将系统控制权交给grub，最后由grub负责把要引导的操作系统的内核镜像读取到系统RAM中，然后跳转到内核的入口点。

vmlinuz是Linux 内核的镜像文件,可以被引导程序加载,从而启动Linux系统。  

    initrd的全称是boot loader initialized RAM disk，它是系统启动时所使用的根文件系统映像文件，这个文件系统中包含几个驱动模块，都是系统启动时所必须加载的，另外当我们需要加载其它的模块时，也可以放在其中。

一、引导程序Grub

   机器加电启动后,BIOS开始检测系统参数,如内存的大小,日期和时间,磁盘设备以及这些磁盘设备用来引导的顺序,通常情况下，BIOS都是被配置成首先检查软驱或者光驱，然后再尝试从硬盘引导。如果在这些可移动的设备中，没有找到可引导的介质，那么BIOS通常是转向第一块硬盘最初的几个扇区，寻找用于装载操作系统的指令。装载操作系统的这个程序就是boot loader。    

linux里面的bootloader通常是lilo或者grub,从Red Hat Linux 7.2起，GRUB取代LILO成为了默认的启动装载程序。那么启动的时候grub是如何被载入的呢？

grub有几个重要的文件,stage1,stage2,有时候还需要stage1.5。这些文件

一般都在/boot/grub文件夹下面。grub被载入通常包括以下几个步骤：

1、装载基本的引导装载程序(stage1)  

stage1很小，只有512字节，

stage1通常位于主引导扇区里面,它的主要功能就是装载第二引导程序(stage2)。这主要是因为在主引导扇区中没有足够的空间用于其它东西， grub中stage2文件的大小是103.9K。

2. 装载第二引导装载程序(stage2)  

   这第二引导装载程序实际上是引出更高级的功能，以允许用户装载入一个特定的操作系统。在GRUB中，这步是让用户显示一个菜单或是输入命令。

   上面还提到了stage1.5这个文件，它的作用是什么呢？在/boot/grub目录下可以看到有fat_stage_1.5  e2fs_stage_1.5 xfs_stage_1.5等等,很容易猜想stage1.5和文件系统有关系，有时候基本引导装载程序(stage1)不能识别stage2所在的文件系统分区,那么这时候就需要stage1.5来连接stage1和stage2了.因此对于不同的文件系统就会有不同的是stage1.5。但是对于我们做的grub好像stage1.5并不是很重要,因为我试过了,在没有stage1.5的情况下, 我把stage1安装在格式化为ext3的CF卡中，能够正常引导,并不需要e2fs_stage_1.5或者fat_stage_1.5。    

   我们的具体做法是把整个CF卡格式化为一个分区，文件系统为ext3格式，然后把stage1、stage2、grub.conf这几个启动的时候必须的文件拷贝到CF卡的指定目录下，然后进入grub使用一些命令将其安装到CF卡上。

二、内核配置

Linux内核所控制的东西非常广，从文件系统格式、程序开放、电源管理到用户的安全性等一大堆的项目，甚至连网络带宽的分配都在其中，由此可知内核的重要性。但是针对我们现在做的系统，在内核配置中我们主要对下面这些选项感兴趣

1、 Loadable module support  对模块的支持，这里面有三项：   Enable loadable module support：除非你准备把所有需要的内容都编译到内核里面，否则该项应该是必选的。

 Set version information on all module symbols：表示该模块不跟内核一起发布，通常不选。

 Kernel module loader：该选项表示内核可以实现模块加载的功能。Kernel程序可以在需要的时候自动调用模块，而在不用该功能的时候自动卸载该模块

2、Processor type and features  

在它的下面，同样有很多的选项，但我们只关心Processor family：根据我

们自己的情况选择CPU类型。在我们的故障诊断仪上，经过试验证明选择386、486或586/K5/5x86/6x86/6x86MK都可以，但是选择Pentium-3/Celeron或者Pentium-4不行。

3、General setup

 这里是对最普通的一些属性进行设置。这部分内容非常多，一般使用缺省设置就可以了。但是必须选上，因为里面有PCI总线支持，电源管理模式等的支持。

4、Block devices

在它的选项下，我们一定要选的是： RAM disk support：。  

（65536）default ramdisk size Initial ramdisk（initrd）support

因为我们做的就是ram disk，所以我们必须把这些都选上，内核不支持的话在内核启动完后是不能加载根文件系统的。其中的65536K是我们在内存中开辟的根文件系统空间。这里就是64M，我们可以根据我们的需要进行调整。

5、Character devices

一些字符设备的支持，例如鼠标，虚拟终端的支持等，使用缺省的就可以了。 6、Filesystem

在这里主要是要把ext3文件支持，/proc文件系统支持选上，一般默认即可。因为我们在后面做出的文件系统镜像是ext3格式的，所以内核必须对此文件格式支持。/proc文件系统是linux提供给用户和系统进行交互的通道，也要选上。

另外second extended fs support是标准的linux文件系统，建议编译进内核。其它的文件系统类型我们可以根据自己的爱好进行选择。

7、Console drivers

 因为我们还没有桌面系统，我们选择的是VGA text console， 如果没有选择这项的话，开机运行到下载内核时就停止了。

另外对于IDE的支持，我们在不选的情况下系统是可以正常启动和工作的。但是我们的系统只是工作在内存中，我们即使把要运行的程序放在其中，关机后什么都没有保留。所以我们要在系统启动起来后重新把CF卡挂载到系统中，然后把程序运行的结果都保存在CF卡上，这样即使关机CF卡上也已经保存了我们程序的运行结果。所以我们在系统中必须加上对IDE的支持。同理，假如我们的系统要支持USB设备时，我们应该在配置选项中选择支持USB和SCSI。也就是添加上usb的驱动。这里选择SCSI的原因是只有支持SCSI时在USB的配置选项中才会出现USB Mass storage support。

三、文件系统

我们的文件系统是通过busybox工具做出来的，busybox集成了linux常用的命令和工具。这些命令和工具我们都可以根据自己的情况进行选择。另外我们还可以选择是静态编译还是动态编译。这些选择都是通过配置界面进行的。它的配置界面和内核配置界面类似，配置方法也是一样的。使用的命令也是make menuconfig。我们做的时候选择了静态编译的方法，也就是我们在编译程序的时候，需要在参数中指定为静态编译。例如在编译hello.c程序时我们的命令是

#gcc �Co hello �Cstatic hello.c

如果我们不用-static，那么我们在执行程序时就会出现错误。因为我们的文件系统中没有加上相应的库。当然我们也可以选择动态编译，然后在文件系统中把相应的库文件添加进去。

最终我们的文件系统是做成了ram disk镜像的形式。也就是initrd.img。

四、linux启动过程

BIOS在开机上电后寻找引导程序grub，然后grub引导加载内核，当grub加载内核时，内核会先在内存中制造出一个rootfs当作临时的空间供系统使用，接着kernel便会把我们做出来的文件系统镜像当作一个系统将其挂载到rootfs上激活。当系统镜像被激活后，它会找到并执行其中的linuxrc程序，linuxrc会按照其中的脚本文件/etc/initab执行，一直到系统启动完毕并出现shell命令行。

下面将对这几个过程依次说明：

1、grub引导内核。

在我们前面制作grub时我们拷贝了一个grub.conf文件，它就是grub的配置文件，它的作用就是用来找到内核和根文件系统。它的内容如下：

timeout=10

title Red Hat Linux        

root (hd0,0)

kernel   /boot/bzImage          

initrd   /boot/initrd.img

timeout就是启动时的延时时间，title是启动画面上出现的操作系统名称。

root (hd0,0)  

指示我们的系统在第一个硬盘的第一个分区上

kernel  /boot/bzImage  

指示我们的内核文件所在的目录

initrd  /boot/initrd.img  

指示我们的文件系统镜像所在的目录

2、linuxrc程序的执行

   在前面我们说过，linuxrc程序按照脚本文件/etc/initab依次执行，根据这个脚本文件，在我们自己的系统中，它会首先执行/etc/init.d/rcS程序，该程序的内容如下：

#！bin/sh /bin/mount �Ca

  它的意思是加载/etc/fstab下的所有文件。/etc/fstab下的内容如下： proc

/proc proc defaults 0 0

 这里首先说下fstab文件格式  下面是/etc/fatab文件的一个示例行：

 fs_spec  fs_file  fs_type  fs_options  fs_dump   fs_pass

/dev/hda1  /usb    ext3   defaults       0          0

简单的说，第一项是我们要挂载的设备文件描述符，第二项是要挂载到哪个目录下，第三项是我们设备的文件系统类型。后面三项对于我们来说一般是不变的。详细的说明可以看下面的描述：

   例如在开机启动时，我们要将我们的CF卡自动挂载到系统中去，我们就在fstab文件中增加如上实例中的内容。

   这样我们的CF卡在开机启动时就自动挂载到了系统中，但是自动运行我们自己的程序该怎么办呢？我们应该注意到在执行linuxrc程序时首先执行的是/etc/init.d/rcS中的内容，刚才我们的挂载就是其中的一个小程序。所以我们完全可以在其中增加开机时我们需要执行的其它程序，比如说我们有一个可执行二进制文件hello，我们就可以在其中增加这个语句： ./usb/hello

   其中usb是我们CF卡的挂载目录，我们的二进制可执行程序hello就位于这个目录。

   到此为止，我们的linux操作系统开机运行，自动加载CF卡，自动运行程序就完成了。