內容：
一. Bootloader
二.Kernel引導入口
三.核心數據結構初始化--內核引導第一部分
四.外設初始化--內核引導第二部分
五.init進程和inittab引導指令
六.rc啟動腳本
七.getty和login
八.bash
附：XDM方式登錄
作者:楊沙洲
本文以Redhat 6.0 Linux 2.2.19 for Alpha/AXP為平台,描述了從開機到登錄的 Linux 啟動全過程.該文對i386平台同樣適用.
一. Bootloader
在Alpha/AXP平台上引導Linux通常有兩種方法,一種是由MILO及其他類似的引導程序引 導,另一種是由Firmware直接引導.MILO功能與i386平台的LILO相近,但內置有基本的磁碟 驅動程序（如IDE、SCSI等）,以及常見的文件系統驅動程序（如ext2,iso9660等）, firmware有ARC、SRM兩種形式,ARC具有類BIOS界面,甚至還有多重引導的設置；而SRM則具 有功能強大的命令行界面,用戶可以在控制台上使用boot等命令引導系統.ARC有分區 （Partition）的概念,因此可以訪問到分區的首扇區；而SRM只能將控制轉給磁碟的首扇區. 兩種firmware都可以通過引導MILO來引導Linux,也可以直接引導Linux的引導代碼.
「arch/alpha/boot」下就是製作Linux Bootloader的文件.「head.S」文件提供了對 OSF PAL/1的調用入口,它將被編譯後置於引導扇區（ARC的分區首扇區或SRM的磁碟0扇區）, 得到控制后初始化一些數據結構,再將控制轉給「main.c」中的start_kernel(), start_kernel()向控制台輸出一些提示,調用pal_init()初始化PAL代碼,調用openboot() 打開引導設備（通過讀取Firmware環境）,調用load()將核心代碼載入到START_ADDR（見 「include/asm-alpha/system.h」）,再將Firmware中的核心引導參數載入到ZERO_PAGE(0) 中,最后調用runkernel()將控制轉給0x100000的kernel,bootloader部分結束.
「arch/alpha/boot/bootp.c」以「main.c」為基礎,可代替「main.c」與「head.S」 生成用於BOOTP協議網路引導的Bootloader.
Bootloader中使用的所有「srm_」函數在「arch/alpha/lib/」中定義.
以上這種Boot方式是一種最簡單的方式,即不需其他工具就能引導Kernel,前提是按照 Makefile的指導,生成bootimage文件,內含以上提到的bootloader以及vmlinux,然後將 bootimage寫入自磁碟引導扇區始的位置中.
當採用MILO這樣的引導程序來引導Linux時,不需要上面所說的Bootloader,而只需要 vmlinux或vmlinux.gz,引導程序會主動解壓載入內核到0x1000（小內核）或0x100000（大 內核）,並直接進入內核引導部分,即本文的第二節.
對於I386平台
i386系統中一般都有BIOS做最初的引導工作,那就是將四個主分區表中的第一個可引導 分區的第一個扇區載入到實模式地址0x7c00上,然後將控制轉交給它.
在「arch/i386/boot」目錄下,bootsect.S是生成引導扇區的彙編源碼,它
將自己 拷貝到0x90000上,然後將緊接其後的setup部分（第二扇區）拷貝到0x90200,將真正的內核 代碼拷貝到0x100000.以上這些拷貝動作都是以bootsect.S、setup.S以及vmlinux在磁碟上 連續存放為前提的,也就是說,我們的bzImage文件或者zImage文件是按照bootsect,setup, vmlinux這樣的順序組織,並存放於始於引導分區的首扇區的連續磁碟扇區之中.
bootsect.S完成載入動作后,就直接跳轉到0x90200,這裡正是setup.S的程序入口. setup.S的主要功能就是將系統參數（包括內存、磁碟等,由BIOS返回）拷貝到 0x90000-0x901FF內存中,這個地方正是bootsect.S存放的地方,這時它將被系統參數覆蓋. 以後這些參數將由保護模式下的代碼來讀取.
除此之外,setup.S還將video.S中的代碼包含進來,檢測和設置顯示器和顯示模式.最 后,setup.S將系統轉換到保護模式,並跳轉到0x100000（對於bzImage格式的大內核是 0x100000,對於zImage格式的是0x1000）的內核引導代碼,Bootloader過程結束.
對於2.4.x版內核
沒有什麼變化.
二.Kernel引導入口
在arch/alpha/vmlinux.lds的鏈接腳本控制下,鏈接程序將vmlinux的入口置於 "arch/alpha/kernel/head.S"中的__start上,因此當Bootloader跳轉到0x100000時, __start處的代碼開始執行.__start的代碼很簡單,只需要設置一下全局變數,然後就跳轉 到start_kernel去了.start_kernel()是"init/main.c"中的asmlinkage函數,至此,啟 動過程轉入體系結構無關的通用C代碼中.
對於I386平台
在i386體系結構中,
i386本身的問題,在"arch/alpha/kernel/head.S"中需要更多的設置,但最終也是通過call SYMBOL_NAME(start_kernel)轉到start_kernel()這個體系結構無關的函數中去執行了.
所不同的是,在i386系統中,當內核以bzImage的形式壓縮,即大內核方式 （__BIG_KERNEL__）壓縮時就需要預先處理bootsect.S和setup.S,按照大核模式使用$(CPP) 處理生成bbootsect.S和bsetup.S,然後再編譯生成相應的.o文件,並使用 "arch/i386/boot/compressed/build.c"生成的build工具,將實際的內核（未壓縮的,含 kernel中的head.S代碼）與"arch/i386/boot/compressed"下的head.S和misc.c合成到一起,其中的head.S代替了"arch/i386/kernel/head.S"的位置,由Bootloader引導執行 （startup_32入口）,然後它調用misc.c中定義的decompress_kernel()函數,使用 "lib/inflate.c"中定義的gunzip()將內核解壓到0x100000,再轉到其上執行 "arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32代碼.
對於2.4.x版內核
沒有變化.
三.核心數據結構初始化--內核引導第一部分
start_kernel()中調用了一系列初始化函數,以完成kernel本身的設置. 這些動作有的是公共的,有的則是需要配置的才會執行的.
在start_kernel()函數中,
輸出Linux版本信息（printk(linux_banner)）
設置與體系結構相關的環境（setup_arch()）
頁表結構初始化（paging_init()）
使用"arch/alpha/kernel/entry.S"中的入口點設置系統自陷入口（trap_init()）
使用alpha_mv結構和entry.S入口初始化系統IRQ（init_IRQ()）
核心進程調度器初始化（包括初始化幾個預設的Bottom-half,sched_init()）
時間、定時器初始化（包括讀取CMOS時鐘、估測主頻、初始化定時器中斷等,time_init()）
提取並分析核心啟動參數（從環境變數中讀取參數,設置相應標誌位等待處理,（parse_options()）
控制台初始化（為輸出信息而先於PCI初始化,console_init()）
剖析器數據結構初始化（prof_buffer和prof_len變數）
核心Cache初始化（描述Cache信息的Cache,kmem_cache_init()）
延遲校準（獲得時鐘jiffies與CPU主頻ticks的延遲,calibrate_delay()）
內存初始化（設置內存上下界和頁表項初始值,mem_init()）
創建和設置內部及通用cache（"slab_cache",kmem_cache_sizes_init()）
創建uid taskcount SLAB cache（"uid_cache",uidcache_init()）
創建文件cache（"files_cache",filescache_init()）
創建目錄cache（"dentry_cache",dcache_init()）
創建與虛存相關的cache（"vm_area_struct","mm_struct",vma_init()）
塊設備讀寫緩衝區初始化（同時創建"buffer_head"cache用戶加速訪問,buffer_init()）
創建頁cache（內存頁hash表初始化,page_cache_init()）
創建信號隊列cache（"signal_queue",signals_init()）
初始化內存inode表（inode_init()）
創建內存文件描述符表（"filp_cache",file_table_init()）
檢查體系結構漏洞（對於alpha,此函數為空,check_bugs()）
SMP機器其餘CPU（除當前引導CPU）初始化（對於沒有配置SMP的內核,此函數為空,smp_init()）
啟動init過程（創建第一個核心線程,調用init()函數,原執行序列調用cpu_idle() 等待調度,init()）
至此start_kernel()結束,基本的核心環境已經建立起來了.
對於I386平台
i386平台上的內核啟動過程與此基本相同,所不同的主要是實現方式.
對於2.4.x版內核
2.4.x中變化比較大,但基本過程沒變,變動的是各個數據結構的具體實現,比如Cache.
四.外設初始化--內核引導第二部分
init()函數作為核心線程,
鎖定內核（僅對SMP機器有效）,然後調用 do_basic_setup()完成外設及其驅動程序的載入和初始化.過程如下：
匯流排初始化（比如pci_init()）
網路初始化（初始化網路數據結構,包括sk_init()、skb_init()和proto_init()三部分,在proto_init()中,將調用protocols結構中包含的所有協議的初始化過程,sock_init()）
創建bdflush核心線程（bdflush()過程常駐核心空間,由核心喚醒來清理被寫過的內存緩衝區,當bdflush()由kernel_thread()啟動后,它將自己命名為kflushd）
創建kupdate核心線程（kupdate()過程常駐核心空間,由核心按時調度執行,將內存緩衝區中的信息更新到磁碟中,更新的內容包括超級塊和inode表）
設置並啟動核心調頁線程kswapd（為了防止kswapd啟動時將版本信息輸出到其他信息中間,核心線調用kswapd_setup()設置kswapd運行所要求的環境,然後再創建 kswapd核心線程）
創建事件管理核心線程（start_context_thread()函數啟動context_thread()過程,並重命名為keventd）
設備初始化（包括並口parport_init()、字元設備chr_dev_init()、塊設備 blk_dev_init()、SCSI設備scsi_dev_init()、網路設備net_dev_init()、磁碟初始化及分區檢查等等,device_setup()）
執行文件格式設置（binfmt_setup()）
啟動任何使用__initcall標識的函數（方便核心開發者添加啟動函數,do_initcalls()）
文件系統初始化（filesystem_setup()）
安裝root文件系統（mount_root()）
至此do_basic_setup()函數返回init(),在釋放啟動內存段（free_initmem()）並給內核解鎖以後,init()打開/dev/console設備,重定向stdin、stdout和stderr到控制台,最后,搜索文件系統中的init程序（或者由init=命令行參數指定的程序）,並使用 execve()系統調用載入執行init程序.
init()函數到此結束,內核的引導部分也到此結束了,這個由start_kernel()創建的第一個線程已經成為一個用戶模式下的進程了.此時系統中存在著六個運行實體：
start_kernel()本身所在的執行體,這其實是一個"手工"創建的線程,它在創建了init()線程以後就進入cpu_idle()循環了,它不會在進程（線程）列表中出現
init線程,由start_kernel()創建,當前處於用戶態,載入了init程序
kflushd核心線程,由init線程創建,在核心態運行bdflush()函數
kupdate核心線程,由init線程創建,在核心態運行kupdate()函數
kswapd核心線程,由init線程創建,在核心態運行kswapd()函數
keventd核心線程,由init線程創建,在核心態運行context_thread()函數
對於I386平台
基本相同.
對於2.4.x版內核
這一部分的啟動過程在2.4.x內核中簡化了不少,預設的獨立初始化過程只剩下網路 （sock_init()）和創建事件管理核心線程,而其他所需要的初始化都使用__initcall()宏 包含在do_initcalls()函數中啟動執行.
五.init進程和inittab引導指令
init進程是系統所有進程的起點,內核在完成核內引導以後,即在本線程（進程）空 間內載入init程序,它的進程號是1.
init程序需要讀取/etc/inittab文件作為其行為指針,inittab是以行為單位的描述性（非執行性）文本,每一個指令行都具有以下格式：
id:runlevel:action:process其中id為入口標識符,runlevel為運行級別,action為動作代號,process為具體的執行程序.
id一般要求4個字元以內,對於getty或其他login程序項,要求id與tty的編號相同,否則getty程序將不能正常工作.
runlevel是init所處於的運行級別的標識,一般使用0－6以及S或s.0、1、6運行級別被系統保留,0作為shutdown動作,1作為重啟至單用戶模式,6為重啟；S和s意義相同,表示單用戶模式,且無需inittab文件,因此也不在inittab中出現,實際上,進入單用戶模式時,init直接在控制台（/dev/console）上運行/sbin/sulogin.
在一般的系統實現中,都使用了2、3、4、5幾個級別,在Redhat系統中,2表示無NFS支持的多用戶模式,3表示完全多用戶模式（也是最常用的級別）,4保留給用戶自定義,5表示XDM圖形登錄方式.7－9級別也是可以使用的,傳統的Unix系統沒有定義這幾個級別.runlevel可以是並列的多個值,以匹配多個運行級別,對大多數action來說,僅當runlevel與當前運行級別匹配成功才會執行.
initdefault是一個特殊的action值,用於標識預設的啟動級別；當init由核心激活 以後,它將讀取inittab中的initdefault項,取得其中的runlevel,並作為當前的運行級 別.如果沒有inittab文件,或者其中沒有initdefault項,init將在控制台上請求輸入 runlevel.
sysinit、boot、bootwait等action將在系統啟動時無條件運行,而忽略其中的runlevel,其餘的action（不含initdefault）都與某個runlevel相關.各個action的定義在inittab的man手冊中有詳細的描述.
在Redhat系統中,一般情況下inittab都會有如下幾項：
id:3:initdefault:
#表示當前預設運行級別為3--完全多任務模式；
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
#啟動時自動執行/etc/rc.d/rc.sysinit腳本
l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
#當運行級別為3時,以3為參數運行/etc/rc.d/rc腳本,init將等待其返回
0:12345:respawn:/sbin/mingetty tty0
#在1－5各個級別上以tty0為參數執行/sbin/mingetty程序,打開tty0終端用於
#用戶登錄,如果進程退出則再次運行mingetty程序
x:5:respawn:/usr/bin/X11/xdm -nodaemon
#在5級別上運行xdm程序,提供xdm圖形方式登錄界面,並在退出時重新執行
六.rc啟動腳本
上一節已經提到init進程將啟動運行rc腳本,這一節將介紹rc腳本具體的工作.
一般情況下,rc啟動腳本都位於/etc/rc.d目錄下,rc.sysinit中最常見的動作就是激活交換分區,檢查磁碟,載入硬體模塊,這些動作無論哪個運行級別都是需要優先執行的.僅當rc.sysinit執行完以後init才會執行其他的boot或bootwait動作.
如果沒有其他boot、bootwait動作,在運行級別3下,/etc/rc.d/rc將會得到執行,命令行參數為3,即執行/etc/rc.d/rc3.d/目錄下的所有文件.rc3.d下的文件都是指向/etc/rc.d/init.d/目錄下各個Shell腳本的符號連接,而這些腳本一般能接受start、stop、restart、status等參數.rc腳本以start參數啟動所有以S開頭的腳本,在此之前,如果相應的腳本也存在K打頭的鏈接,
已經處於運行態了（以/var/lock/subsys/下的文件作為標誌）,則將
啟動K開頭的腳本,以stop作為參數停止這些已經啟動了的服務,然後再重新運行.顯然,這樣做的直接目的就是當init改變運行級別時,所有相關的服務都將重啟,即使是同一個級別.
rc程序執行完畢后,系統環境已經設置好了,下面就該用戶登錄系統了.
七.getty和login
在rc返回后,init將得到控制,並啟動mingetty（見第五節）.mingetty是getty的簡化,不能處理串口操作.getty的功能一般包括：
打開終端線,並設置模式
輸出登錄界面及提示,接受用戶名的輸入
以該用戶名作為login的參數,載入login程序
預設的登錄提示記錄在/etc/issue文件中,但每次啟動,一般都會由rc.local腳本根據系統環境重新生成.
註：用於遠程登錄的提示信息位於/etc/issue.net中.
login程序在getty的同一個進程空間中運行,接受getty傳來的用戶名參數作為登錄的用戶名.
如果用戶名不是root,且存在/etc/nologin文件,login將輸出nologin文件的內容,然後退出.這通常用來系統維護時防止非root用戶登錄.
只有/etc/securetty中登記了的終端才允許root用戶登錄,如果不存在這個文件,則root可以在任何終端上登錄./etc/usertty文件用於對用戶作出附加訪問限制,如果不存在這個文件,則沒有其他限制.
當用戶登錄通過了這些檢查后,login將搜索/etc/passwd文件（必要時搜索 /etc/shadow文件）用於匹配密碼、設置主目錄和載入shell.如果沒有指定主目錄,將默認為根目錄；如果沒有指定shell,將默認為/bin/sh.在將控制轉交給shell以前, getty將輸出/var/log/lastlog中記錄的上次登錄系統的信息,然後檢查用戶是否有新郵件（/usr/spool/mail/{username}）.在設置好shell的uid、gid,以及TERM,PATH 等環境變數以後,進程載入shell,login的任務也就完成了.
八.bash
運行級別3下的用戶login以後,將啟動一個用戶指定的shell,以下以/bin/bash為例繼續我們的啟動過程.
bash是Bourne Shell的GNU擴展,除了繼承了sh的所有特點以外,還增加了很多特性和功能.由login啟動的bash是作為一個登錄shell啟動的,它繼承了getty設置的TERM、PATH等環境變數,其中PATH對於普通用戶為"/bin:/usr/bin:/usr/local/bin",對於root 為"/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin".作為登錄shell,它將
尋找/etc/profile 腳本文件,並執行它；然後如果存在~/.bash_profile,則執行它,否則執行 ~/.bash_login,如果該文件也不存在,則執行~/.profile文件.然後bash將作為一個互動式shell執行~/.bashrc文件（如果存在的話）,很多系統中,~/.bashrc都將啟動 /etc/bashrc作為系統範圍內的配置文件.
當顯示出命令行提示符的時候,整個啟動過程就結束了.此時的系統,運行著內核,運行著幾個核心線程,運行著init進程,運行著一批由rc啟動腳本激活的守護進程（如 inetd等）,運行著一個bash作為用戶的命令解釋器.
附：XDM方式登錄
如果預設運行級別設為5,則系統中不光有1-6個getty監聽著文本終端,還有啟動了一個XDM的圖形登錄窗口.登錄過程和文本方式差不多,也需要提供用戶名和口令,XDM 的配置文件預設為/usr/X11R6/lib/X11/xdm/xdm-config文件,其中指定了 /usr/X11R6/lib/X11/xdm/xsession作為XDM的會話描述腳本.登錄成功后,XDM將執行這個腳本以運行一個會話管理器,比如gnome-session等.
除了XDM以外,不同的窗口管理系統（如KDE和GNOME）都提供了一個XDM的替代品,如gdm和kdm,這些程序的功能和XDM都差不多.
