內(nèi)容：
一. Bootloader
二.Kernel引導入口
三.核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化--內(nèi)核引導*部分
四.外設(shè)初始化--內(nèi)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

本文以Redhat 6.0 Linux 2.2.19 for Alpha/AXP為平臺，描述了從開機到登錄的 Linux 啟動全過程。該文對i386平臺同樣適用。
一. Bootloader
在Alpha/AXP 平臺上引導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平臺的LILO相近，但內(nèi)置有基本的磁盤驅(qū)動程序（如IDE、SCSI等），以及常見的文件系統(tǒng)驅(qū)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(shè)置；而SRM則具有功能強大的命令行界面，用戶可以在控制臺上使用boot等命令引導系統(tǒng)。ARC有分區(qū)（Partition）的概念，因此可以訪問到分區(qū)的首扇區(qū)；而SRM只能將控制轉(zhuǎn)給磁盤的首扇區(qū)。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” 下就是制作Linux Bootloader的文件。“head.S”文件提供了對 OSF PAL/1的調(diào)用入口，它將被編譯后置于引導扇區(qū)（ARC的分區(qū)首扇區(qū)或SRM的磁盤0扇區(qū)），得到控制后初始化一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再將控制轉(zhuǎn)給“main.c”中的start_kernel（）， start_kernel（）向控制臺輸出一些提示，調(diào)用pal_init（）初始化PAL代碼，調(diào)用openboot（） 打開引導設(shè)備（通過讀取Firmware環(huán)境），調(diào)用load（）將核心代碼加載到START_ADDR（見 “include/asm-alpha/system.h”），再將Firmware中的核心引導參數(shù)加載到ZERO_PAGE（0） 中，zui后調(diào)用runkernel（）將控制轉(zhuǎn)給0x100000的kernel，bootloader部分結(jié)束。

“arch/alpha/boot/bootp.c”以“main.c”為基礎(chǔ)，可代替“main.c”與“head.S” 生成用于BOOTP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)引導的Bootloader。
Bootloader中使用的所有“srm_”函數(shù)在“arch/alpha/lib/”中定義。

以上這種Boot方式是一種zui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(nèi)含以上提到的bootloader以及vmlinux，然后將 bootimage寫入自磁盤引導扇區(qū)始的位置中。

當采用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加載內(nèi)核到0x1000（小內(nèi)核）或0x100000（大內(nèi)核），并直接進入內(nèi)核引導部分，即本文的第二節(jié)。

對于I386平臺
i386系統(tǒng)中一般都有BIOS做zui初的引導工作，那就是將四個主分區(qū)表中的*個可引導 分區(qū)的*個扇區(qū)加載到實模式地址0x7c00上，然后將控制轉(zhuǎn)交給它。

在“arch/i386/boot” 目錄下，bootsect.S是生成引導扇區(qū)的匯編源碼，它首先將自己拷貝到0x90000上，然后將緊接其后的setup部分（第二扇區(qū)）拷貝到0x90200，將真正的內(nèi)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在磁盤上連續(xù)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，并存放于始于引導分區(qū)的首扇區(qū)的連續(xù)磁盤扇區(qū)之中。

bootsect.S完成加載動作后，就直接跳轉(zhuǎn)到0x90200，這里正是setup.S的程序入口。 setup.S的主要功能就是將系統(tǒng)參數(shù)（包括內(nèi)存、磁盤等，由BIOS返回）拷貝到 0x90000-0x901FF內(nèi)存中，這個地方正是bootsect.S存放的地方，這時它將被系統(tǒng)參數(shù)覆蓋。以后這些參數(shù)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(shè)置顯示器和顯示模式。zui 后，setup.S將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到保護模式，并跳轉(zhuǎn)到0x100000（對于bzImage格式的大內(nèi)核是 0x100000，對于zImage格式的是0x1000）的內(nèi)核引導代碼，Bootloader過程結(jié)束。

對于2.4.x版內(nèi)核
沒有什么變化。

二.Kernel引導入口

在arch/alpha/vmlinux.lds 的鏈接腳本控制下，鏈接程序?qū)mlinux的入口置于 "arch/alpha/kernel/head.S"中的__start上，因此當Bootloader跳轉(zhuǎn)到0x100000時， __start處的代碼開始執(zhí)行。__start的代碼很簡單，只需要設(shè)置一下全局變量，然后就跳轉(zhuǎn)到start_kernel去了。start_kernel（）是"init/main.c"中的asmlinkage函數(shù)，至此，啟動過程轉(zhuǎn)入體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的通用C代碼中。

對于I386平臺
在i386體系結(jié)構(gòu)中，因為i386本身的問題，在 "arch/alpha/kernel/head.S"中需要更多的設(shè)置，但zui終也是通過call SYMBOL_NAME（start_kernel）轉(zhuǎn)到start_kernel（）這個體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的函數(shù)中去執(zhí)行了。

所不同的是，在i386系統(tǒng)中，當內(nèi)核以bzImage的形式壓縮，即大內(nèi)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，然后再編譯生成相應的.o文件，并使用 "arch/i386/boot/compressed/build.c"生成的build工具，將實際的內(nèi)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(zhí)行（startup_32入口），然后它調(diào)用misc.c中定義的decompress_kernel（）函數(shù)，使用 "lib/inflate.c"中定義的gunzip（）將內(nèi)核解壓到0x100000，再轉(zhuǎn)到其上執(zhí)行 "arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32代碼。

對于2.4.x版內(nèi)核
沒有變化。

三.核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化--內(nèi)核引導*部分
start_kernel（）中調(diào)用了一系列初始化函數(shù)，以完成kernel本身的設(shè)置。 這些動作有的是公共的，有的則是需要配置的才會執(zhí)行的。

在start_kernel（）函數(shù)中，
輸出Linux版本信息（printk（linux_banner））
設(shè)置與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的環(huán)境（setup_arch（））
頁表結(jié)構(gòu)初始化（paging_init（））
使用"arch/alpha/kernel/entry.S"中的入口點設(shè)置系統(tǒng)自陷入口（trap_init（））
使用alpha_mv結(jié)構(gòu)和entry.S入口初始化系統(tǒng)IRQ（init_IRQ（））
核心進程調(diào)度器初始化（包括初始化幾個缺省的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（））
提取并分析核心啟動參數(shù)（從環(huán)境變量中讀取參數(shù)，設(shè)置相應標志位等待處理，（parse_options（））
控制臺初始化（為輸出信息而先于PCI初始化，console_init（））
剖析器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化（prof_buffer和prof_len變量）
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(nèi)存初始化（設(shè)置內(nèi)存上下界和頁表項初始值，mem_init（））
創(chuàng)建和設(shè)置內(nèi)部及通用cache（"slab_cache"，kmem_cache_sizes_init（））
創(chuàng)建uid taskcount SLAB cache（"uid_cache"，uidcache_init（））
創(chuàng)建文件cache（"files_cache"，filescache_init（））
創(chuàng)建目錄cache（"dentry_cache"，dcache_init（））
創(chuàng)建與虛存相關(guān)的cache（"vm_area_struct"，"mm_struct"，vma_init（））
塊設(shè)備讀寫緩沖區(qū)初始化（同時創(chuàng)建"buffer_head"cache用戶加速訪問，buffer_init（））
創(chuàng)建頁cache（內(nèi)存頁hash表初始化，page_cache_init（））
創(chuàng)建信號隊列cache（"signal_queue"，signals_init（））
初始化內(nèi)存inode表（inode_init（））
創(chuàng)建內(nèi)存文件描述符表（"filp_cache"，file_table_init（））
檢查體系結(jié)構(gòu)漏洞（對于alpha，此函數(shù)為空，check_bugs（））
SMP機器其余CPU（除當前引導CPU）初始化（對于沒有配置SMP的內(nèi)核，此函數(shù)為空，smp_init（））
啟動init過程（創(chuàng)建*個核心線程，調(diào)用init（）函數(shù)，原執(zhí)行序列調(diào)用cpu_idle（） 等待調(diào)度，init（））
至此start_kernel（）結(jié)束，基本的核心環(huán)境已經(jīng)建立起來了。

對于I386平臺
i386平臺上的內(nèi)核啟動過程與此基本相同，所不同的主要是實現(xiàn)方式。

對于2.4.x版內(nèi)核
2.4.x中變化比較大，但基本過程沒變，變動的是各個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體實現(xiàn)，比如Cache。

四.外設(shè)初始化--內(nèi)核引導第二部分
init（）函數(shù)作為核心線程，首先鎖定內(nèi)核（僅對SMP機器有效），然后調(diào)用 do_basic_setup（）完成外設(shè)及其驅(qū)動程序的加載和初始化。過程如下：

總線初始化（比如pci_init（））
網(wǎng)絡(luò)初始化（初始化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括sk_init（）、skb_init（）和proto_init（）三部分，在proto_init（）中，將調(diào)用protocols結(jié)構(gòu)中包含的所有協(xié)議的初始化過程，sock_init（））
創(chuàng)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(nèi)存緩沖區(qū)，當bdflush（）由kernel_thread（）啟動后，它將自己命名為kflushd）
創(chuàng)建kupdate核心線程（kupdate（）過程常駐核心空間，由核心按時調(diào)度執(zhí)行，將內(nèi)存緩沖區(qū)中的信息更新到磁盤中，更新的內(nèi)容包括超級塊和inode表）
設(shè)置并啟動核心調(diào)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(diào)用kswapd_setup（）設(shè)置kswapd運行所要求的環(huán)境，然后再創(chuàng)建 kswapd核心線程）
創(chuàng)建事件管理核心線程（start_context_thread（）函數(shù)啟動context_thread（）過程，并重命名為keventd）
設(shè)備初始化（包括并口parport_init（）、字符設(shè)備chr_dev_init（）、塊設(shè)備 blk_dev_init（）、SCSI設(shè)備scsi_dev_init（）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備net_dev_init（）、磁盤初始化及分區(qū)檢查等等， device_setup（））
執(zhí)行文件格式設(shè)置（binfmt_setup（））
啟動任何使用__initcall標識的函數(shù)（方便核心添加啟動函數(shù)，do_initcalls（））
文件系統(tǒng)初始化（filesystem_setup（））
安裝root文件系統(tǒng)（mount_root（））
至此do_basic_setup（）函數(shù)返回init（），在釋放啟動內(nèi)存段（free_initmem（））并給內(nèi)核解鎖以后，init（）打開 /dev/console設(shè)備，重定向stdin、stdout和stderr到控制臺，zui后，搜索文件系統(tǒng)中的init程序（或者由init=命令行參數(shù)的程序），并使用 execve（）系統(tǒng)調(diào)用加載執(zhí)行init程序。

init（）函數(shù)到此結(jié)束，內(nèi)核的引導部分也到此結(jié)束了，這個由start_kernel（）創(chuàng)建的*個線程已經(jīng)成為一個用戶模式下的進程了。此時系統(tǒng)中存在著六個運行實體：

start_kernel（）本身所在的執(zhí)行體，這其實是一個"手工"創(chuàng)建的線程，它在創(chuàng)建了init（）線程以后就進入cpu_idle（）循環(huán)了，它不會在進程（線程）列表中出現(xiàn)
init線程，由start_kernel（）創(chuàng)建，當前處于用戶態(tài)，加載了init程序
kflushd核心線程，由init線程創(chuàng)建，在核心態(tài)運行bdflush（）函數(shù)
kupdate核心線程，由init線程創(chuàng)建，在核心態(tài)運行kupdate（）函數(shù)
kswapd核心線程，由init線程創(chuàng)建，在核心態(tài)運行kswapd（）函數(shù)
keventd核心線程，由init線程創(chuàng)建，在核心態(tài)運行context_thread（）函數(shù)

對于I386平臺
基本相同。

對于2.4.x版內(nèi)核
這一部分的啟動過程在2.4.x內(nèi)核中簡化了不少，缺省的獨立初始化過程只剩下網(wǎng)絡(luò) （sock_init（））和創(chuàng)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(shù)中啟動執(zhí)行。

五.init進程和inittab引導指令
init進程是系統(tǒng)所有進程的起點，內(nèi)核在完成核內(nèi)引導以后，即在本線程（進程）空 間內(nèi)加載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(zhí)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(zhí)行程序。

id一般要求4個字符以內(nèi)，對于getty或其他login程序項，要求id與tty的編號相同，否則getty程序?qū)⒉荒苷９ぷ鳌?/p>

runlevel 是init所處于的運行級別的標識，一般使用0－6以及S或s。0、1、6運行級別被系統(tǒng)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(xiàn)，實際上，進入單用戶模式時，init直接在控制臺（/dev/console）上運行/sbin/sulogin。

在一般的系統(tǒng)實現(xiàn)中，都使用了2、3、4、5幾個級別，在 Redhat系統(tǒng)中，2表示無NFS支持的多用戶模式，3表示*多用戶模式（也是zui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(tǒng)的Unix系統(tǒng)沒有定義這幾個級別。runlevel可以是并列的多個值，以匹配多個運行級別，對大多數(shù)action來說，僅當runlevel與當前運行級別匹配成功才會執(zhí)行。

initdefault是一個特殊的action值，用于標識缺省的啟動級別；當init由核心激活 以后，它將讀取inittab中的initdefault項，取得其中的runlevel，并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將在控制臺上請求輸入 runlevel。

sysinit、 boot、bootwait等action將在系統(tǒng)啟動時無條件運行，而忽略其中的runlevel，其余的action（不含initdefault）都與某個runlevel相關(guān)。各個action的定義在inittab的man手冊中有詳細的描述。

在Redhat系統(tǒng)中，一般情況下inittab都會有如下幾項：
id:3:initdefault:
#表示當前缺省運行級別為3--*多任務(wù)模式；
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
#啟動時自動執(zhí)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(shù)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(shù)執(zhí)行/sbin/mingetty程序，打開tty0終端用于
#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，并在退出時重新執(zhí)行.

六.rc啟動腳本

上一節(jié)已經(jīng)提到init進程將啟動運行rc腳本，這一節(jié)將介紹rc腳本具體的工作。

一般情況下，rc啟動腳本都位于/etc/rc.d目錄下，rc.sysinit中zui常見的動作就是激活交換分區(qū)，檢查磁盤，加載硬件模塊，這些動作無論哪個運行級別都是需要優(yōu)先執(zhí)行的。僅當rc.sysinit執(zhí)行完以后init才會執(zhí)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(zhí)行，命令行參數(shù)為3，即執(zhí)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(shù)。rc腳本以start參數(shù)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，而且已經(jīng)處于運行態(tài)了（以/var/lock/subsys/下的文件作為標志），則將首先啟動K開頭的腳本，以stop 作為參數(shù)停止這些已經(jīng)啟動了的服務(wù)，然后再重新運行。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(guān)的服務(wù)都將重啟，即使是同一個級別。

rc程序執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)環(huán)境已經(jīng)設(shè)置好了，下面就該用戶登錄系統(tǒng)了。

七.getty和login

在rc返回后，init將得到控制，并啟動mingetty（見第五節(jié)）。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，并設(shè)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(shù)，加載login程序
缺省的登錄提示記錄在/etc/issue文件中，但每次啟動，一般都會由rc.local腳本根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境重新生成。

注：用于遠程登錄的提示信息位于/etc/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(shù)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(nèi)容，然后退出。這通常用來系統(tǒng)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文件用于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）用于匹配密碼、設(shè)置主目錄和加載shell。如果沒有主目錄，將默認為根目錄；如果沒有shell，將默認為 /bin/sh。在將控制轉(zhuǎn)交給shell以前， getty將輸出/var/log/lastlog中記錄的上次登錄系統(tǒng)的信息，然后檢查用戶是否有新郵件（/usr/spool/mail/ {username}）。在設(shè)置好shell的uid、gid，以及TERM，PATH 等環(huán)境變量以后，進程加載shell，login的任務(wù)也就完成了。

八.bash

運行級別3下的用戶login以后，將啟動一個用戶的shell，以下以/bin/bash為例繼續(xù)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(shè)置的TERM、PATH等環(huán)境變量，其中PATH對于普通用戶為"/bin:/usr/bin:/usr/local/bin"，對于 root 為"/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin"。作為登錄shell，它將首先尋找/etc/profile 腳本文件，并執(zhí)行它；然后如果存在~/.bash_profile，則執(zhí)行它，否則執(zhí)行 ~/.bash_login，如果該文件也不存在，則執(zhí)行~/.profile文件。然后bash將作為一個交互式shell執(zhí)行~/.bashrc文件（如果存在的話），很多系統(tǒng)中，~/.bashrc都將啟動 /etc/bashrc作為系統(tǒng)范圍內(nèi)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(jié)束了。此時的系統(tǒng)，運行著內(nèi)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
如果缺省運行級別設(shè)為5，則系統(tǒng)中不光有1-6個getty監(jiān)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 的配置文件缺省為/usr/X11R6/lib/X11/xdm/xdm-config文件，其中了 /usr/X11R6/lib/X11/xdm/xsession作為XDM的會話描述腳本。登錄成功后，XDM將執(zhí)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(tǒng)（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。