Linux的啟動(dòng)和核心介紹
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時(shí)間：2011-02-24
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對(duì)象是一些剛對(duì)Linux核心感興趣，并且準(zhǔn)備進(jìn)一步研究和改造的同志。
因?yàn)槭怯商峋V整理而成，有些亂，見(jiàn)諒！
四部分內(nèi)容：
一、Linux核心源碼結(jié)構(gòu)介紹
二、編譯和配置的過(guò)程
三、系統(tǒng)啟動(dòng)順序的相關(guān)文件
四、核心改造的一些經(jīng)驗(yàn)
一、
當(dāng)我們安裝好一個(gè)Linux系統(tǒng)，通常核心源碼存放在/usr/src/linux/目錄。
下面先看看這目錄下的各個(gè)子目錄及文件。
[/]#cd /usr/src/linux
[linux]#ls -aF
./ MAINTAINERS drivers/ kernel/ scripts/
../ Makefile fs/ lib/
COPYING README include/ mm/
CREDITS Rules.make init/ modules/
Documentation/ arch/ ipc/ net/
下面我們逐一描述：
COPYING
GPL版權(quán)申明，看后你至少應(yīng)該知道，你對(duì)具有GPL版權(quán)的源代碼改動(dòng)而形成的程序，或使用GPL工具產(chǎn)生的程序，具有使用GPL發(fā)表的義務(wù)。其中之一就是公開(kāi)源代碼。 bitsCN#com中國(guó)網(wǎng)管聯(lián)盟
CREDITS
光榮榜，你應(yīng)當(dāng)感謝的一些人的信息，其中的每一個(gè)人都對(duì)Linux做出過(guò)很大貢獻(xiàn)。
Documentation/
文檔目錄，可有選擇地看一下你感興趣的部分
MAINTAINERS
維護(hù)人員列表，對(duì)當(dāng)前版本的內(nèi)核各部分都有誰(shuí)負(fù)責(zé)，如果你研究的夠深入，可以與他們討論
Makefile
如果你在UNIX編譯過(guò)程序，可以看明白R(shí)EADME，Linus 所寫(xiě)，核心及其編譯配置方法簡(jiǎn)單介紹Rules.make： make時(shí)使用的一些共同規(guī)則
arch/
architecture（體系結(jié)構(gòu)）我關(guān)心的i386啟動(dòng)過(guò)程在其中，包括Linux在多種平臺(tái)下的實(shí)現(xiàn)。如果要移植系統(tǒng)到一個(gè)新的CPU環(huán)境中，這就是你要關(guān)心的目錄
drivers/
驅(qū)動(dòng)程序目錄，包含大量設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，按類(lèi)別分子目錄
fs/
文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前流行的幾乎所有文件系統(tǒng)。Cool
include/
嵌入文件目錄
init/
初始化文件，包含main.c和version.c兩個(gè)文件。Initialize
ipc/
ipc的實(shí)現(xiàn)，與SYS V兼容
kernel/
最核心代碼，調(diào)度，中斷，信號(hào)等的處理
lib/
一些工具。
Mm/
內(nèi)存管理，Memory Manager，虛擬頁(yè)、緩沖的實(shí)現(xiàn)。 中國(guó)_網(wǎng)管聯(lián)盟bitsCN.com
Modules/
模塊文件目錄，用于存放編譯時(shí)產(chǎn)生的模塊目標(biāo)文件（參考編譯過(guò)程）
net/
網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，包括TCP/IP在內(nèi)的大量網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。
Scripts/
描述文件，腳本，用于對(duì)核心的配置。
二、
構(gòu)造內(nèi)核
常用命令包括：
make config, dep, clean, mrproper, zImage, bzImage, modules, modules_install
(1) make config
核心配置，調(diào)用./scripts/Configure 按照arch/i386/config.in 來(lái)進(jìn)行配置。
命令執(zhí)行完后產(chǎn)生文件.config，其中保存著配置信息。下一次再做make config將產(chǎn)生新的.config文件，原.config被改名為.config.old
(2)make dep
尋找依存關(guān)系，產(chǎn)生兩個(gè)文件.depend和.hdepend。其中.hdepend表示每個(gè).h文件都包含其它哪些嵌入文件。而.depend 文件有多個(gè)，在每個(gè)會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)文件(.o)文件的目錄下均有，它表示每個(gè)目標(biāo)文件都依賴(lài)哪些嵌入文件(.h)。
(3)make clean
清出以前構(gòu)核所產(chǎn)生的所有目標(biāo)文件、模塊文件、核心以及一些臨時(shí)文件等，不產(chǎn)生任何文件。
(4)make rmproper
刪除所有因構(gòu)核過(guò)程中產(chǎn)生的所有文件，及除了做make clean外，還要?jiǎng)h除.config，.depend等文件，把核心源碼恢復(fù)到最原始的狀態(tài)。下次構(gòu)核時(shí)就必須重新配置了。
(5)make, make zImage, make bzImage
make:
構(gòu)核。通過(guò)各目錄的Makefile文件進(jìn)行。會(huì)在各個(gè)目錄下產(chǎn)生一大堆目標(biāo)文件，若核心代碼沒(méi)有錯(cuò)誤，將產(chǎn)生文件vmlinux，這就是所構(gòu)的核心。并產(chǎn)生映射文件System.map通過(guò)各目錄的Makefile文件進(jìn)行。.version 文件中的數(shù)加1，表示版本號(hào)（又產(chǎn)生一個(gè)新的版本了），讓你明白，你已經(jīng)對(duì)核心改動(dòng)過(guò)多少次了。
Make zImage：
在make的基礎(chǔ)上產(chǎn)生壓縮的核心映象文件./arch/$(ARCH)/boot/zImage以及在./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目錄下產(chǎn)生一些臨時(shí)文件。
Make bzImage:
在make 的基礎(chǔ)上產(chǎn)生壓縮比例更大的核心映象文件./arch/$(ARCH)/boot/bzImage以及在./arch/$(ARCH)/boot/compresed/目錄下產(chǎn)生一些臨時(shí)文件。在核心太大時(shí)進(jìn)行。
(6)make modules
編譯模塊文件，你在make config時(shí)所配置的所有模塊將在這時(shí)編譯，形成模塊目標(biāo)文件，并把這些目標(biāo)文件存放在modules目錄中。使用如下命令看一看。
Ls modules
(7)make modules_install
把上面編譯好的模塊目標(biāo)文件目錄/lib/modules/$KERNEL_VERSION/ 中。比如我的版本是2.0.36，做完這個(gè)操作后可使用下面的命令看看：
ls /lib/modules/2.0.36/
相關(guān)的命令還有很多，有興趣可看相關(guān)資料和Makefile文件。
另外注意，這兒我們產(chǎn)生了一些隱含文件
.config
.oldconfig
.depend
.hdepend
.version
它們的意義應(yīng)該很清楚了。
三、
系統(tǒng)的啟動(dòng)順序及相關(guān)文件
仍在核心源碼目錄下，看以下幾個(gè)文件
./arch/$ARCH/boot/bootsect.s
./arch/$ARCH/boot/setup.s
./init/main.c
bootsect.S 及 setup.S
這個(gè)程序是linux kernel的第一個(gè)程序，包括了linux自己的bootstrap程序，但是在說(shuō)明這個(gè)程序前，必須先說(shuō)明一般IBM PC開(kāi)機(jī)時(shí)的動(dòng)作(此處的開(kāi)機(jī)是指"打開(kāi)PC的電源"):
一般PC在電源一開(kāi)時(shí)，是由內(nèi)存中地址FFFF:0000開(kāi)始執(zhí)行(這個(gè)地址一定在ROM BIOS中，ROM BIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中)，而此處的內(nèi)容則是一個(gè)jump指令，jump到另一個(gè)位於ROM BIOS中的位置，開(kāi)始執(zhí)行一系列的動(dòng)作，包括了檢查RAM，keyboard，顯示器，軟硬磁盤(pán)等等，這些動(dòng)作是由系統(tǒng)測(cè)試代碼(system test code)來(lái)執(zhí)行的，隨著制作BIOS廠(chǎng)商的不同而會(huì)有些許差異，但都是大同小異，讀者可自行觀(guān)察自家機(jī)器開(kāi)機(jī)時(shí)，螢?zāi)簧纤@示的檢查訊息。
緊接著系統(tǒng)測(cè)試碼之后，控制權(quán)會(huì)轉(zhuǎn)移給ROM中的啟動(dòng)程序(ROM bootstrap routine)，這個(gè)程序會(huì)將磁盤(pán)上的第零軌第零扇區(qū)讀入內(nèi)存中(這就是一般所謂的boot sector，如果你曾接觸過(guò)電腦病，
毒，就大概聽(tīng)過(guò)它的大名)，至於被讀到內(nèi)存的哪里呢? --絕對(duì)位置07C0:0000(即07C00h處)，這是IBM系列PC的特性。而位在linux開(kāi)機(jī)磁盤(pán)的boot sector上的正是linux的bootsect程序，也就是說(shuō)，bootsect是第一個(gè)被讀入內(nèi)存中并執(zhí)行的程序?，F(xiàn)在，我們可以開(kāi)始來(lái)看看到底bootsect做了什么。
第一步
首先，bootsect將它"自己"從被ROM BIOS載入的絕對(duì)地址0x7C00處搬到0x90000處，然后利用一個(gè)jmpi(jump indirectly)的指令，跳到新位置的jmpi的下一行去執(zhí)行，
第二步
接著，將其他segment registers包括DS，ES，SS都指向0x9000這個(gè)位置，與CS看齊。另外將SP及DX指向一任意位移地址( offset )，這個(gè)地址等一下會(huì)用來(lái)存放磁盤(pán)參數(shù)表(disk para- meter table )
第三步
接著利用BIOS中斷服務(wù)int 13h的第0號(hào)功能，重置磁盤(pán)控制器，使得剛才的設(shè)定發(fā)揮功能。
第四步
完成重置磁盤(pán)控制器之后，bootsect就從磁盤(pán)上讀入緊鄰著bootsect的setup程序，也就是setup.S，此讀入動(dòng)作是利用BIOS中斷服務(wù)int 13h的第2號(hào)功能。Setup的image將會(huì)讀入至程序所指定的內(nèi)存絕對(duì)地址0x90200處，也就是在內(nèi)存中緊鄰著bootsect 所在的位置。待setup的image讀入內(nèi)存后，利用BIOS中斷服務(wù)int 13h的第8號(hào)功能讀取目前磁盤(pán)的參數(shù)。
第五步
再來(lái)，就要讀入真正linux的kernel了，也就是你可以在linux的根目錄下看到的"vmlinuz" 。在讀入前，將會(huì)先呼叫BIOS中斷服務(wù)int 10h 的第3號(hào)功能，讀取游標(biāo)位置，之后再呼叫BIOS 中斷服務(wù)int 10h的第13h號(hào)功能，在螢?zāi)簧陷敵鲎执?Loading"，這個(gè)字串在boot linux時(shí)都會(huì)首先被看到，相信大家應(yīng)該覺(jué)得很眼熟吧。
第六步
接下來(lái)做的事是檢查root device，之后就仿照一開(kāi)始的方法，利用indirect jump 跳至剛剛已讀入的setup部份比較
把大家所熟知的MS DOS 與linux的開(kāi)機(jī)部份做個(gè)粗淺的比較，MS DOS 由位於磁盤(pán)上boot sector的boot程序負(fù)責(zé)把IO.SYS載入內(nèi)存中，而IO.SYS則負(fù)有把DOS的kernel --MSDOS.SYS載入內(nèi)存的重責(zé)大任。而linux則是由位於boot sector 的
bootsect程序負(fù)責(zé)把setup及l(fā)inux的kernel載入內(nèi)存中，再將控制權(quán)交給setup。
##這幾步內(nèi)容主要參照一個(gè)臺(tái)灣同胞寫(xiě)的文檔，setup.s的內(nèi)容希望有人補(bǔ)充。
Start_kernel()
當(dāng)核心被載入后，首先進(jìn)入的函數(shù)就是start_kernel。
./init/main.c 中函數(shù)start_kernel包含核心的啟動(dòng)過(guò)程及順序。
通過(guò)它來(lái)看核心整個(gè)初始化過(guò)程。
首先進(jìn)行一系列初始化，包括： [bitsCN.Com]
trap_init(); ##./arch/i386/kernel/traps.c 陷入
init_IRQ(); ##./arch/i386/kernel/irq.c setup IRQ
sched_init(); ##./kernel/sched.c 調(diào)度初始化，并初始化bottom_half
time_init(); ##./arch/i386/kernel/time.c
init_modules(); ##
linux操作系統(tǒng)文章專(zhuān)題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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