引导 Linux® 系统的过程包括很多阶段。不管您是引导一个标准的 x86 桌面系统,还是引导一台嵌入式的 PowerPC® 机器,很多流程都惊人地相似。本文将探索 Linux 的引导过程,从最初的引导到启动{dy}个用户空间应用程序。在本文介绍的过程中,您将学习到各种与引导有关的主题,例如引导加载程序、内核解压、初始 RAM 磁盘以及 Linux 引导的其他一些元素。
当系统首次引导时,或系统被重置时,处理器会执行一个位于已知位置处的代码。在个人计算机(PC)中,这个位置在基本输入/输出系统(BIOS)中,它保存在主板上的闪存中。嵌入式系统中的中央处理单元(CPU)会调用这个重置向量来启动一个位于闪存/ROM 中的已知地址处的程序。在这两种情况下,结果都是相同的。因为 PC 提供了很多灵活性,BIOS 必须确定要使用哪个设备来引导系统。稍后我们将详细介绍这个过程。
系统启动阶段依赖于引导 Linux 系统上的硬件。在嵌入式平台中,当系统加电或重置时,会使用一个启动环境。这方面的例子包括 U-Boot、RedBoot 和 Lucent 的 MicroMonitor。嵌入式平台通常都是与引导监视器搭配销售的。这些程序位于目标硬件上的闪存中的某一段特殊区域,它们提供了将 Linux 内核映像下载到闪存并继续执行的方法。除了可以存储并引导 Linux 映像之外,这些引导监视器还执行一定级别的系统测试和硬件初始化过程。在嵌入式平台中,这些引导监视器通常会涉及{dy}阶段和第二阶段的引导加载程序。
在 x86 PC 环境中,{dy}阶段和第二阶段的引导加载程序一起称为 Linux Loader(LILO)或 GRand Unified Bootloader(GRUB)。由于 LILO 有一些缺点,而 GRUB 克服了这些缺点,因此下面让我们就来看一下 GRUB。(有关 GRUB、LILO 和相关主题的更多内容,请参阅本文后面的 部分的内容。)
关于 GRUB,很好的一件事情是它包含了有关 Linux 文件系统的知识。GRUB 不像 LILO 一样使用裸扇区,而是可以从 ext2 或 ext3 文件系统中加载 Linux 内核。它是通过将两阶段的引导加载程序转换成三阶段的引导加载程序来实现这项功能的。阶段 1 (MBR)引导了一个阶段 1.5 的引导加载程序,它可以理解包含 Linux 内核映像的特殊文件系统。这方面的例子包括 reiserfs_stage1_5(要从 Reiser 日志文件系统上进行加载)或 e2fs_stage1_5(要从 ext2 或 ext3 文件系统上进行加载)。当阶段 1.5 的引导加载程序被加载并运行时,阶段 2 的引导加载程序就可以进行加载了。
当 bzImage(用于 i386 映像)被调用时,我们从 ./arch/i386/boot/head.S 的 start 汇编例程开始执行(主要流程图请参看图 3)。这个例程会执行一些基本的硬件设置,并调用 ./arch/i386/boot/compressed/head.S 中的 startup_32 例程。此例程会设置一个基本的环境(堆栈等),并xx Block Started by Symbol(BSS)。然后调用一个叫做 decompress_kernel 的 C 函数(在 ./arch/i386/boot/compressed/misc.c 中)来解压内核。当内核被解压到内存中之后,就可以调用它了。这是另外一个 startup_32 函数,但是这个函数在 ./arch/i386/kernel/head.S 中。
在这个新的 startup_32 函数(也称为xx程序或进程 0)中,会对页表进行初始化,并启用内存分页功能。然后会为任何可选的浮点单元(FPU)检测 CPU 的类型,并将其存储起来供以后使用。然后调用 start_kernel 函数(在 init/main.c 中),它会将您带入与体系结构无关的 Linux 内核部分。实际上,这就是 Linux 内核的 main 函数。
M. Tim Jones 是一名嵌入式软件架构师,他是 GNU/Linux Application Programming、AI Application Programming 和 BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective 等书的作者。他的工程背景涉及从同步太空船开发内核,到嵌入式系统架构和网络协议开发。Tim 是位于科罗拉多州的 Longmont 的 Emulex 公司的一名顾问工程师。