Linux内核分析3：跟踪分析Linux内核的启动过程

  席金玉+ 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000 ”

一、计算机的启动过程

1、加电自检：完成系统的硬件检测，其中包括内存检测、系统总线检测等工作，之后进行各项程序的加载。
2、加载内核引导程序：在POST完成后，就要加载内核引导程序了，那它保存在哪里呢？磁盘里！哈哈，BIOS会读取0磁头，0磁道，一扇区的512个字节，这个扇区有叫做MBR（主引导记录），MBR中保存了内核引导程序的开始部分，BIOS将其装入内存执行。512个字节的MBR有些什么呢？这里有必要说说MBR！MBR分区表以80为起始，以55AA为结束，共64个字节。x86 CPU启动的第一个动作CS:EIP=FFFF:0000H（换算为物理地址为000FFFF0H，因为16位CPU有20根地址线)，即BIOS程序的位置。BIOS例行程序检测完硬件并完成相应的初始化之后就会寻找可引导介质，找到后把引导程序加载到指定内存区域后，就把控制权交给了引导程序。这里一般是把硬盘的第一个扇区MBR和活动分区的引导程序加载到内存（即加载BootLoader），加载完整后把控制权交给BootLoader。
3、内核引导程序：内核引导程序分两部分：主、次引导程序。主引导程序的主要工作就是收索，寻找活动的分区，将活动的分区引导记录中的次引导程序加载到内存中并且执行。而这个次引导程序就是负责加载内核的并且将控制权交给内核。上面提过内核引导程序有LILO、GRUB、U-Boot、RedBoot。其中前面两个为pc中的，而后面两个是嵌入式的。引导程序BootLoader开始负责操作系统初始化，然后起动操作系统。启动操作系统时一般会指定kernel、initrd和root所在的分区和目录。
4、内核：内核以压缩的形式存在，不是一个可执行的内核！所以内核阶段首先要做的是自解压内核映像。这里说说编译内核后形成的内核压缩的映像vmlinuz。编译生成vmlinux后，一般会对其进行压缩为vmlinuz，使其成为zImage--小于512KB的小内核，或者成为bzImage--大于512KB的大内核。内核启动过程包括start_kernel之前和之后，之前全部是做初始化的汇编指令，之后开始C代码的操作系统初始化，最后执行第一个用户态进程init。
5、一般分两阶段启动，先是利用initrd的内存文件系统，然后切换到硬盘文件系统继续启动。initrd文件的功能主要有两个：1、提供开机必需的但kernel文件(即vmlinuz)没有提供的驱动模块(modules) 2、负责加载硬盘上的根文件系统并执行其中的/sbin/init程序进而将开机过程持续下去。
MBR：
(1).446个字节的引导程序代码
(2).64个字节的分区表，有多少个分区呢。。？这还真不知道！分为4个分区表，一个可启动分区和三个不可启动分区。
(3).2个字节的0XAA55，用于检查MBR是否有效。
需要注意的是，内核引导程序被加载完后，POST部分的代码会被从内存中清理，只留部分在内存中留给目标操作系统使用。 （ 本段内容参考百度百科 ，参考比例：40%）

二、实验过程

（1）首先打开实验楼虚拟机，进入终端模式，依次输入以下两个命令：
                                                             

说明：第一个命令是进入LinuxKernel文件夹下；第二个命令是：执行内核程序。
（2）内核程序开始执行了，如下图所示：
                                                   

说明：输入help命令查看帮助信息，可见有三个命令：help，version，quit。依次输入help和version命令，最后输入quit命令退出内核的执行状态。如下图所示：
                                                   

（3）进入调试阶段
输入命令：qemu -kernel-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S，后运行窗口处于暂停状态。
qemu参数:  
-s  :  在1234接受gdb调试连接
    -S :  虚拟机启动后立即暂停,等侍gdb连接
这时，我们右键点击，选择“水平分割”划分出另外一个窗口，输入：gdb，进入gdb调试状态。依次键入：
                                                      
                                                    
设置好start_kernel断点后，输入：c命令便可执行内核程序，如下图：
                                                             

输入list：将会显示start_kernel代码：如图所示：
                                                               

我们还可以设置更多的断点：如break rest_init，然后按：c，如下图所示：
                                                                 

我们发现系统执行到rest_init，如下图所示：
                                                          

再键入：list，将会显示rest_init代码：
                                                               

说明：rest_init()是Linux 内核初始化的尾声。

三、简单分析内核：内核启动过程

先找到内核启动的起点start_kernel，在init文件夹下的main.c文件中找到start_kernel；如下图
                                                                

分析：init_task即手工创建的PCB，0号进程即最终的idle进程。
不管分析内核的那一部分代码，都需要设计到start_kernel代码，因为初始化的时候，都需要调用start_kernel进行其他部分的初始化。
在561行的trap_init()函数是用来初始化一些中断向量的。
当系统没有进程需要执行时，就调度到idle进程。rest_init()从start-kernel()执行时就会一直存在，即0号进程。
（1）Linux3.18.6内核部分的源码，我们主要关注的是arch目录下面的x86目录，至于arch目录下其他的文件夹我们可以直接删除。
函数start_kernel就好像一般可执行程序中的主函数main，系统进入这个函数之前已经进行了一些最低限度的初始化，再往前研究就涉及很多硬件相关及编程语言了，这里是较高层次的初始化，基本是C代码，一直想搞清楚内核的初始化流程，好对整个linux内核有更深理解。分析程序习惯性的找main函数，那么就从这个start_kernel看看。这个函数在init/main.c。
（2）init启动过程：
init process 是 Linux 系统的第一个用户态进程，既然是第一个进程，所以他是Linux内核运行过程中唯一一个没有父进程的进程。它是由 Linux 内核直接启动的。start_kernel()函数是init文件夹下main.c文件中的一个关键性函数，它是整个内核开始工作的起点。在该函数被调用之前，内核是没有一条代码在执行的。
（3）init 1的启动：
进程init 1 是由内核启动的，不带任何命令行参数，即直接执行/sbin/init。

四、Linux内核启动的一些其他函数

1、系统调用 printk() 函数在屏幕上打印 Linux 内核版本号和编译内核所使用的 gcc 编译器版本号、启用时间等，如果这个过程失败，将显示一个参考信息给用户。
2、调用 arch/i386/kernel/setup.c 中的 setup_arch() 函数，初始化系统主板上各个集成电路控制器，最后在 command line、memory_start 和 memory_end 中返回结果。
3、调用 arch/i386/init.c 中的 paging_init() 函数初始化内核页表。
4、调用 arch/i386/kernel/trap.c 中的 trap_init() 函数中对中断描述符表IDT进行初始化。为了使用异常处理，trap_init() 函数将处理异常的函数地址的选择符写入 IDT的陷阱门描述符中。这些门的设置时由 set_trap_gate() 和set_system_gate() 函数来完成的。
5、调用 arch/i386/kernel/irq.c 中的 init_IRQ() 函数。设置基准时钟和中断门。
6、调用 kernel/sched.c 中的 sched() ，为进程调度程序的执行做准备。通过 init_bh() 函数设置用于内核例程处理程序的数组 bh_base[]。即分别把定时器队列 TIMER_BH 、设备队列TQUEVE_BH 和即时队列 IMMEDIATE_BH 填加到数组 bh_base[]中。
7、调用 arch/i386/kernel/time.c 中的 time_init() 函数，初始化系统时钟和日期。这个过程是从 CMOS中读取实时时间，并在屏幕上显示，然后调用 stup_x86_irq() 函数把时间中断服务程序的偏移量（中断号：0×20）装入相应的中断门描述符中。
8、调用 init/main.c 中的 parse_options() 函数，对命令行选项进行分析。这些选项是在命令启动时，由内核引导程序（主要是 arch/i386/boot/bootseet.c）装入，并存放在empty_zero_page 页的后 2K 字节中。它首先检查命令行参数，并设置相应的变量。然后把环境变量送入数组 envp_init[] ，把参数送入数组 argv_init[] 中。
9、调用 drivers/char/tty_io.c 中的 console_init() 函数初始化控制台。调用drivers/char/console.c 中的 con_init() 初始化显示器。
10、调用 kernel/module.c 中的 init_modules() 函数，初始化内核模块 kernel_module 。
11、 通过 if 语句来判断 prof_shift ，如果该值等于 0 ，说明 prof_buffer 表中没有空间，因此不执行x86_do_profile() 函数对 profile_buffer 执行初始化，否则就对 profile_buffer 执行初始化。
12、调用 mm/slab.c 中的 keme_cache_init() 函数，初始化高速通用缓存及 slab 分配器。
13、 调用 sti() 开中断。激活硬件中断系统，以便接收时钟中断。紧接着调用 calibrate_delay()测试机器的 BogoMIPS 值（这个值的含义是：内核发出读取设备信号后，需要等待多少时间才能得到从设备返回的请求信息或者说是 CPU 在一秒钟内执行一个短延时循环的近似次数）。
14、调用 arch/i386/mm/init.c 中的 mem_init() 函数，初始化页描述符，系统中所有的页框描述符存放在 mem_map[] 数组中，页框描述符的初始化是由 free_area_init() 函数完成的。 mem_init() 函数确定系统现有的页框总数，并计算出保留给硬件、内核代码和内核数据的页框数，以及内核初始化期间使用过，但随后又被释放掉的页框数。最 后，mem_init() 在结构数组 mem_map[]中标记已被占用的页框，计数没有使用的页框。该函数返回时，变量 nr_free_pages 中包含了动态内存中没有使用的页框总数。
15、调用 mm/slab.c 中的 kmem_cache_sizes_init() 函数，初始化通用高速缓存的大小。
16、调用 /fs/proc/root.c 中的 proc_root_init()函数 ，初始化根文件系统的各种数据结构。
17、调用 /kernel/fork.c 中的 uidcache_init()函数 ,创建用户进程标志符缓存。
18、调用 /kernel/fork.c 中的 filescache_init()函数，创建文件缓存。
19、调用 fs/dcache.c 中的 dcache_init() 函数，创建目录项高速缓存 dentry_cache 。
20、调用 mm/mmap.c 中的 vma_init() 函数，创建 vm_area_struct 结构和 mm_struct 结构。
21、调用 fs/buffer.c 中的 buffer_init() 函数，创建 buffer_head SLAB 缓存。
22、调用 kernel/signal.c 中的 signals_init() 函数，创建信号队列。
23、调用 fs/inode.c 中的 inode_init() 函数，初始化 inode 节点，即：将数组 hash_table[]全部清零，在把指向第一个 i 节点的全局变量置为空。
24、调用 fs/file_table.c 中的 file_table_init() 函数，创建 filp SLAB结构。
25、调用 ipc/util.c 中的 ipc_init() ，初始化信号量、消息和共享内存。
26、调用 fs/dquot.c 中的 dquot_init_hash()函数，创建磁盘配额缓存。
27、调用 include/i386/bugs.h 中的 check_bugs() 函数，测试 CPU的各种属性，检查协处理器状态。
28、调用 printk() 函数，在屏幕上打印出：“POSIX conformance testing by UNIFIX \n”。
29、调用 init/main.c 中的 smp_init() 函数，激活对称多处理方式中的其他的 CPU。
30、 调用 arch/i386/kernel/process.c 中的 kernel_thread() 函数，创建一个内核态线程，以便执行 init函数，这里应该注意，kernel_thread()是由汇编语言写成的，它使用了 int 0×80 系统调用创建一个新的内核态线程。该系统调用返回后通过比较 ESP 和 ESI 两个寄存器的值来判断父、子进程，如果是复进程则执行 0 号进程，如果是子进程则执行 init() 函数。
31、设置 idle 进程的 need_resched 标志位，调用 schedule 使 CPU 处理更多的进程。

五、总结

本次实验主要是熟练start_kernel的原理过程，掌握Linux内核的工作原理。掌握内核进程的init()过程中是怎么调用的。

实验分析了start_kernel进程启动的过程。通过对start_kernel的源代码分析，体会进程在切换过程中操作系统对进程运行环境的管理。事实上有时候我们可以把它叫做运行框架，也可以说是上下文，现场环境等等。实际上这些东西指的都是程序运行时候的堆栈，运行内存空间的地址，寄存器值的集合。中断上下文和进程上下文的切换是操作系统的“两把剑”，熟练掌握和理解中断上下文和进程上下文，我们才能充分理解Linux内核源码中进程调度的原理，才能为后续学习Linux操作系统做好基础准备。