当我们谈开机的时候我们在谈论些什么

心已赠人 2022-08-10 04:40 168阅读 0赞

**本文主要解决了以下几个问题：**  
1、当你按下电源键以后都发生了什么？  
2、Linux kernel初始化都在初始化什么？  
3、init进程何时创建？  
**注：本文所有的的内核代码都是来自于kernel3.14.54，读者可以未经作者允许随意转载，但请保证文章的完整性。**

**第一部分：当你按下电源的时候，你的计算机都做了什么。**  
当你按下电源的时候，你的内存，寄存器都是空的（材质都是易失性存储，断电后数据就消失了）。这时候计算机去ROM中装入BIOS系统（处于0xfffffff0位置），BIOS系统执行加电自检，初始化GDT、LDT ，初始化硬件设备，找操作系统（注意这个时候是实模式）。  
找到操作系统以后进行操作系统的载入任务：由GRUB引导程序载入内核映像，由setup函数执行硬件的初始化（即使BIOS已经初始化过了大部分硬件设备，但是Linux内核还是会在函数setup里边再次初始化），跳转到startup\_32函数为0号进程执行建立环境，最后调用start\_kernel函数初始化内核。  
以上就是开机全部过程的简单介绍，至于setup函数和start\_kernel函数都在初始化什么内容，这就到了本文的第二部分内容。

**第二部分，linux kernel初始化都在初始化什么。**

**initrd**:是initial RAM disk的简写。grub引导在加载内核的时候会把相关的initrd也一起加载进来，内核在挂载根文件之前会执行initrd中的程序，执行完了以后才会把cpu交给kernel的initial程序来完成kernel初始化。

1、start\_kernel函数

setup函数和startup\_32函数都是汇编语言函数，执行大部分硬件和寄存器的初始化操作。真正的Linux的初始化操作是在start\_kernel函数中执行的，函数定义如下：

void start_kernel(void){
    srm_printk("Linux/AXP bootp loader for Linux " UTS_RELEASE "\n");
    if (INIT_HWRPB->pagesize != 8192) {
    srm_printk("Expected 8kB pages, got %ldkB\n",INIT_HWRPB->pagesize >> 10);
    return ；
    }
    pal_init();
    initrd_start = ((START_ADDR + 5*KERNEL_SIZE + PAGE_SIZE) |(PAGE_SIZE-1)) + 1;
     srm_printk("Initrd positioned at %#lx\n", initrd_start);
    move_stack(initrd_start - PAGE_SIZE);
    nbytes = callback_getenv(ENV_BOOTED_OSFLAGS, envval, sizeof(envval));
    
    }

首先屏幕上会显示你的内核版本号（UTS\_REKEASE），如果pagesize不是8k，屏幕打印提示信息然后退出初始化函数。图形化界面初始化（为图形化界面准备函数初始化一个临时的PCB然后进行XXXX操作，没看懂），准备ininrd的起始地址并打印出该地址。移动栈防止栈被内核镜像重写，得到环境变量以及环境变量字符串的长度。

srm_printk("Loading the kernel...'%s'\n", envval);
    load(initrd_start, KERNEL_ORIGIN+KERNEL_SIZE, INITRD_IMAGE_SIZE);
    load(START_ADDR+(4*KERNEL_SIZE), KERNEL_ORIGIN, KERNEL_SIZE);
    load(START_ADDR, START_ADDR+(4*KERNEL_SIZE), KERNEL_SIZE);

载入initrd镜像（load函数参数分别是：源地址、目的地址和拷贝字节数；执行的操作是：从initrd-\_start所指向的地址开始拷贝INITRD\_IMAGE\_SIZE大小到KERNEL\_ORIGIN+KERNEL\_SIZE处，之后的load函数类似）；  
内核在START\_ADDR地址处，需要载入到START\_ADDR+(4\*KERNEL\_SIZE)地址处，在加载内核之前先要把START\_ADDR+(4\*KERNEL\_SIZE)地址处KERNEL\_SIZE大小空间里边的内容复制到KERNEL\_ORIGIN处（KERNEL\_SIZE、KERNEL\_ORIGIN这两个宏定义我没找到）

memset((char*)ZERO_PGE, 0, PAGE_SIZE);
    strcpy((char*)ZERO_PGE, envval);
    ((long *)(ZERO_PGE+256))[0] = initrd_start;
    ((long *)(ZERO_PGE+256))[1] = INITRD_IMAGE_SIZE;
    runkernel();

清空第零页内容（实际上是清空ZERO\_PGE往下的4096字节内容，我们暂且把这一块内容称为第零页），把环境变量写入零页。  
把initrd的起始地址写入(ZERO\_PGE+256))\[0\]单元内，把initrd镜像的大小写入(ZERO\_PGE+256))\[1\]单元处，调用函数runkernel。到这里start\_kernel函数的执行就结束了。

通过前面的分析我们能看出，start\_kernel函数很大一部分在进行对内核空间的初始化，为分页做准备。这部分都是一些对地址的直接操作，比较乱，我们来画张图整理以下。

![内核空间的分配][20151113160040438]

上图描述了start\_kernel用到的一些宏定义以及定义的内容。

2、runkernel函数

runkernel函数只有一行代码，是一行内联汇编，下面我们来一句一句分析这样汇编代码。

__asm__ __volatile__(
            "bis %0,%0,$27\n\t"
            "jmp ($27)"
            : /* no outputs: it doesn't even return */
            : "r" (START_ADDR));

内联汇编的格式是：  
asm ( “statements” : output\_registers : input\_registers : clobbered\_registers);  
那么对于我们上边的内联汇编，汇编语句是`bis %0,%0,$27 jmp ($27)`，没有输出部分，输入部分是`"r" (START_ADDR)` ，没有要修改的寄存器。  
这两行汇编还不是很懂的样子，等我在复习复习汇编再来完善。  
到这里差不多start\_kernel函数就看完了。就觉得奇怪，为什么我没有看到初始化调度函数初始化页面那些东西，可能被封装在了哪个函数里了吧，目前没办法写第三部分了。

说两点：  
1、我想像中的这个博文是从实模式开始描述的，现在这个样子是一个雏形，后来慢慢看的多了会继续补充（主要是汇编这个短板）。  
2、 能开这个文，我是欣喜的。  
3、众所周知，对于软件开发人员硬件一直是努力回避的问题，至少之前的我是这么想的也是这么做的。回避着回避着，突然有一天觉得这样做是不对的，是不均衡的。不了解硬件怎么写出牛逼的软件。

[20151113160040438]: /images/20220731/2012ba5ff06943bc8d765431fa39d0c2.png