linux内核唤醒过程,Linux内核启动过程分析
1、Linux內核啟動協議
閱讀文檔\linux-2.6.35\Documentation\x86\boot.txt
傳統支持Image和zImage內核的啟動裝載內存布局(2.4以前的內核裝載就是這樣的布局)：
|? ? ? ? ? ? |
0A0000? ? +------------------------+
|? Reserved for BIOS? ? |? ? Do not use.? Reserved for BIOS EBDA.
09A000? ? +------------------------+
|? Command line? ? ? ? |
|? Stack/heap? ? ? ? |? ? For use by the kernel real-mode code.
098000? ? +------------------------+
|? Kernel setup? ? ? ? |? ? The kernel real-mode code.
090200? ? +------------------------+
|? Kernel boot sector? ? |? ? The kernel legacy boot sector.
090000? ? +------------------------+
|? Protected-mode kernel |? ? The bulk of the kernel image.
010000? ? +------------------------+
|? Boot loader? ? ? ? |? ?
001000? ? +------------------------+
|? Reserved for MBR/BIOS |
000800? ? +------------------------+
|? Typically used by MBR |
000600? ? +------------------------+
|? BIOS use only? ? |
000000? ? +------------------------+
當使用bzImage時，保護模式的內核會被重定位到0x1000000(高端內存)，內核實模式的代碼(boot sector,setup和stack/heap)會被編譯成可重定位到0x100000與低端內存底端之間的任何地址處。不幸的是，在2.00和2.01版的引導協議中，0x90000+的內存區域仍然被使用在內核的內部。2.02版的引導協議解決了這個問題。boot loader應該使BIOS的12h中斷調用來檢查低端內存中還有多少內存可用。
人們都希望“內存上限”，即boot loader觸及的低端內存最高處的指針，盡可能地低，因為一些新的BIOS開始分配一些相當大的內存，所謂的擴展BIOS數據域，幾乎快接近低端內存的最高處了。
不幸的是，如果BIOS 12h中斷報告說內存的數量太小了，則boot loader除了報告一個錯誤給用戶外，什么也不會做。因此，boot loader應該被設計成占用盡可能少的低端內存。對zImage和以前的bzImage，這要求數據能被寫到x090000段，boot loader應該確保不會使用0x9A000指針以上的內存；很多BIOS在這個指針以上會終止。
對一個引導協議>=2.02的現代bzImage內核，其內存布局使用以下格式：
|? Protected-mode kernel |
100000? +------------------------+
|? I/O memory hole? ? |
0A0000? ? +------------------------+
|? Reserved for BIOS? ? |? ? Leave as much as possible unused
~? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ~
|? Command line? ? ? ? |? ? (Can also be below the X+10000 mark)
X+10000? ? +------------------------+
|? Stack/heap? ? ? ? |? ? For use by the kernel real-mode code.
X+08000? ? +------------------------+
|? Kernel setup? ? ? ? |? ? The kernel real-mode code.
|? Kernel boot sector? ? |? ? The kernel legacy boot sector.
X? ? ? +------------------------+
|? Boot loader? ? ? ? |? ?
001000? ? +------------------------+
|? Reserved for MBR/BIOS |
000800? ? +------------------------+
|? Typically used by MBR |
000600? ? +------------------------+
|? BIOS use only? ? |
000000? ? +------------------------+
這里程序段地址是由grub的大小來決定的。地址X應該在bootloader所允許的范圍內盡可能地低。
2、BIOS POST過程
傳統意義上，由于CPU加電之后，CPU只能訪問ROM或者RAM里的數據，而這個時候是沒有計算機操作系統的，所以需要有一段程序能夠完成加載存儲在非易失性存儲介質(比如硬盤)上的操作系統到RAM中的功能。這段程序存儲在ROM里，BIOS就是這類程序中的一種。對于BIOS，主要由兩家制造商制造，駐留在主板的ROM里。有了BIOS,硬件制造商可以只需要關注硬件而不需要關注軟件。BIOS的服務程序，是通過調用中斷服務程序來實現的。BIOS加載bootloader程序，Bootloader也可以通過BIOS提供的中斷，向BIOS獲取系統的信息。整個過程如下：
(1)電源啟動時鐘發生器并在總線上產生一個#POWERGOOD的中斷。
(2)產生CPU的RESET中斷(此時CPU處于8086工作模式)。
(3)進入BIOS POST代碼處：%ds=%es=%fs=%gs=%ss=0,%cs=0xFFFF0000,%eip = 0x0000FFF0 (ROM BIOS POST code，指令指針eip，數據段寄存器ds，代碼段寄存器cs)。
(4)在中斷無效狀態下執行所有POST檢查。
(5)在地址0初始化中斷向量表IVT。
(6)0x19中斷：以啟動設備號為參數調用BIOS啟動裝載程序。這個程序從啟動設備(硬盤)的0扇面1扇區讀取數據到內存物理地址0x7C00處開始裝載。這個0扇面1扇區稱為Boot sector(引導扇區)，共512字節，也稱為MBR。
就是說，CPU 在? BIOS 的入口(CS:IP=FFFF:0000)處執行BIOS的匯編程序，BIOS程序功能有系統硬件的檢測，提供中斷訪問接口以訪問硬件。而后被BIOS程序通過中斷0x19調用磁盤MBR上的bootloader程序，將bootloader程序加載到ox7c00處，而后跳轉到0x7c00,這樣，位于 0x7c00處的bootloader程序，就可以執行了。
從BIOS執行MBR中的bootloader程序開始，就是linux的代碼在做的事情了。
3、Bootloader過程
bootloader程序是為計算機加載(load)計算機操作系統的。boot(引導)是bootstrap的簡寫，bootstrap是引導指令的意思。bootloader程序通常位于硬盤上，被BIOS調用，用于加載內核。在PC機上常見的bootloader主要有grub、lilo、syslinux等。
GRUB(GRand Unified Bootloader)是當前linux諸多發行版本默認的引導程序。嵌入式系統上，最常見的bootloader是U-BOOT。這樣的bootloader一般位于MBR的最前部。在linux系統中，bootloader也可以寫入文件系統所在分區中。比如，grub程序就非常強大。Gurb運行后，將初始化設置內核運行所需的環境。然后加載內核鏡像。
grub磁盤引導全過程：
(1)stage1: grub讀取磁盤第一個512字節(硬盤的0道0面1扇區，被稱為MBR(主引導記錄),也稱為bootsect)。MBR由一部分bootloader的引導代碼、分區表和魔數三部分組成。
(2)stage1_5: 識別各種不同的文件系統格式。這使得grub識別到文件系統。
(3)stage2: 加載系統引導菜單(/boot/grub/menu.lst或grub.lst)，加載內核vmlinuz和RAM磁盤initrd。
4、內核啟動過程
內核映像文件vmlinuz：包含有linux內核的靜態鏈接的可執行文件，傳統上，vmlinux被稱為可引導的內核鏡像。vmlinuz是vmlinux的壓縮文件。其構成如下：
(1)第一個512字節(以前是在arch/i386/boot/bootsect.S);
(2)第二個，一段代碼，若干個不多于512字節的段(以前是在arch/i386/boot/setup.S);
(3)保護模式下的內核代碼(在arch/x86/boot/main.c)。
bzImage文件：使用make bzImage命令編譯內核源代碼，可以得到采用zlib算法壓縮的zImage文件，即big zImage文件。老的zImage解壓縮內核到低端內存，bzImage則解壓縮內核到高端內存(1M(0x100000)以上)，在保護模式下執行。bzImage文件一般包含有vmlinuz、bootsect.o、setup.o、解壓縮程序misc.o、以及其他一些相關文件(如piggy.o)。注意，在Linux 2.6內核中，bootsect.S和setup.S被整合為header.S。
initramfs(或initrd)文件：initrd是initialized ram disk的意思。主要用于加載硬件驅動模塊，輔助內核的啟動，掛載真正的根文件系統。
例如，我電腦上的grub啟動項如下(在/boot/grub/grub.lst中)：
title Fedora (2.6.35.10-74.fc14.i686)
root (hd0,0)
kernel /vmlinuz-2.6.35.10-74.fc14.i686 ro root=/dev/mapper/VolGroup-lv_root rd_LVM_LV=VolGroup/lv_root rd_LVM_LV=VolGroup/lv_swap rd_NO_LUKS rd_NO_MD rd_NO_DM LANG=zh_CN.UTF-8 KEYBOARDTYPE=pc KEYTABLE=us rhgb quiet
initrd /initramfs-2.6.35.10-74.fc14.i686.img
內核的執行參數可以控制內核的行為，比如ro參數告訴內核，以只讀方式掛載根分區，而quiet則告訴內核，啟動的時候不要打印任何信息。這些參數不光影響內核的執行，大多數的發行版也使用這些參數控制啟動完畢以后后續的動作。這些參數可以在任何時候從/proc/cmdline 這個文件中獲得。現在，grub找到了內核(hd0,0)/boot/vmlinuz-2.6.35.10-74.fc14.i686，它將整個電腦的控制權交給了這個程序，內核開始進行各種初始化的動作，你可以將quiet參數去掉，以便看看內核都做了哪些事情，也可以在系統啟動成功以后，使用dmesg這個命令查看內核啟動的時候，都打印了哪些東西。
啟動過程是和體系結構相關的，對于2.6內核，x86體系結構，CPU在上電初始化時，指令寄存器CS:EIP總是被初始化為固定值，這就是CPU復位后的第一條指令的地址。對于32位地址總線的系統來說，4GB的物理空間至少被劃分為兩個部分，一部分是內存的地址空間，另外一部分地址空間用于對BIOS芯片存儲單元進行尋址。x86復位后工作在實模式下，該模式下CPU的尋址空間為1MB。CS:IP的復位值是FFFF:0000，物理地址為FFFF0。主板設計者必須保證把這個物理地址映射到BIOS芯片上，而不是RAM上。
裝載Linux內核的第一步應該是加載實模式代碼(boot sector和setup代碼)，然后檢查偏移0x01f1處的頭部(header)中的各個參數值。實模式的代碼總共有32K，但是boot loader可以選擇只裝載前面的兩個扇區(1K)，然后檢查bootup扇區的大小。
header���各個域的格式如下：
Offset/Size? Proto? Name? ? Meaning
01F1/1? ALL(1? setup_sects? The size of the setup in sectors
01F2/2? ALL? root_flags? ? If set, the root is mounted readonly
01F4/4? 2.04+? syssize? ? The size of the 32-bit code in 16-byte paras
01F8/2? ALL? ram_size? DO NOT USE - for bootsect.S use only
01FA/2? ALL? vid_mode? Video mode control
01FC/2? ALL? root_dev? Default root device number
01FE/2? ALL? boot_flag? 0xAA55 magic number
0200/2? 2.00+? jump? ? Jump instruction
0202/4? 2.00+? header? ? Magic signature "HdrS"
0206/2? 2.00+? version? ? Boot protocol version supported
0208/4? 2.00+? realmode_swtch? Boot loader hook (see below)
020C/2? 2.00+? start_sys_seg? The load-low segment (0x1000) (obsolete)
020E/2? 2.00+? kernel_version? Pointer to kernel version string
0210/1? 2.00+? type_of_loader? Boot loader identifier
0211/1? 2.00+? loadflags? Boot protocol option flags
0212/2? 2.00+? setup_move_size? Move to high memory size (used with hooks)
0214/4? 2.00+? code32_start? Boot loader hook (see below)
0218/4? 2.00+? ramdisk_image? initrd load address (set by boot loader)
021C/4? 2.00+? ramdisk_size? initrd size (set by boot loader)
0220/4? 2.00+? bootsect_kludge? DO NOT USE - for bootsect.S use only
0224/2? 2.01+? heap_end_ptr? Free memory after setup end
0226/1? 2.02+? ext_loader_ver? Extended boot loader version
0227/1? 2.02+? ext_loader_type? Extended boot loader ID
0228/4? 2.02+? cmd_line_ptr? 32-bit pointer to the kernel command line
022C/4? 2.03+? ramdisk_max? Highest legal initrd address
0230/4? 2.05+? kernel_alignment? Physical addr alignment required for kernel
0234/1? 2.05+? relocatable_kernel? Whether kernel is relocatable or not
0235/1? 2.10+? min_alignment? Minimum alignment, as a power of two
0236/2? N/A? pad3? ? ? ? ? Unused
0238/4? 2.06+? cmdline_size? Maximum size of the kernel command line
023C/4? 2.07+? hardware_subarch? Hardware subarchitecture
0240/8? 2.07+? hardware_subarch_data? Subarchitecture-specific data
0248/4? 2.08+? payload_offset? Offset of kernel payload
024C/4? 2.08+? payload_length? Length of kernel payload
0250/8? 2.09+? setup_data? 64-bit physical pointer to linked list of struct setup_data
0258/8? 2.10+? pref_address? Preferred loading address
0260/4? 2.10+? init_size? Linear memory required during initialization
總結
以上是生活随笔為你收集整理的linux内核唤醒过程,Linux内核启动过程分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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