Linux手机DIY.内核初探.系统后台启动简单介绍

一、序
Linux系统是如何启动，这对将来应用开发是十分重要的，本文整理自Linux
论坛，结合Moto E680，夏新E600和飞利浦968进行简单介绍

二、重要提示

为了方便更好的理解本文，提供下面链结。
全系列的文章地址，手机应用开发专栏：http://blog.csdn.net/liwei_cmg

三、Linux启动过程总体概述

阅读Linux源代码，是深入学习Linux系统启动的最直接方法，Linux启动这部
分的源码主要使用的是C语言，也涉及到了少量的汇编语言。启动过程中也执行了
大量的shell脚本。下面是大概的启动流程。

用户首先打开电源，主板BIOS开始开机自检，按BIOS中设置的启动设备(如硬
盘，光盘)进行启动，接着启动设备上安装的引导程序lilo或grub开始引导Linux，
Linux引导程序首先进行内核的引导，接下来才执行init程序，init程序调用了
rc.sysinit和rc等相关程序，rc.sysinit和rc完成系统初始化和运行服务的任务后，
返回init。再由init启动了mingetty后，打开终端供用户登录系统，这时用户就可
以登录并进入了Shell窗口，至此完成了开机到登录的整个过程。

Power On -> BIOS -> IDE/CDROM -> lilo/grub -> Kernel Boot -> Init
( rc.sysinit rc ) -> mingetty -> Shell

四、Linux手机嵌入式系统的内核启动过程简介

下面以E680的内核代码简单初略的说明系统启动过程。

嵌入式系统或者PC机，首先使用类似lilo或grub等BootLoader引导程序引导
Linux系统，当引导程序成功完成引导任务后，Linux便从它们手中接管了CPU的控
制权，然后CPU就开始执行Linux的核心映象代码，开始了Linux启动过程。
在BootLoader完成系统的引导以后并将Linux内核调入内存之后，调用bootLinux()，
这个函数将跳转到kernel的起始位置。如果kernel没有压缩，就可以启动了。如
果kernel压缩过，则要进行解压，在压缩过的kernel头部有解压程序。压缩过的
kernel入口第一个文件源码位置在arch/arm/boot/compressed/head.S。它将调用
函数decompress_kernel()，这个函数在文件arch/arm/boot/compressed/misc.c中，
decompress_kernel()又调用proc_decomp_setup(),arch_decomp_setup()进行设置，
然后使用在打印出信息“Uncompressing Linux...”后，调用lib/inflate.c的gunzip()。
将内核放于指定的位置。
启动首先运行的文件有：
arch/arm/boot/compressed/head.S
arch/arm/boot/compressed/head-xscale.S
arch/arm/boot/compressed/misc.c
这些文件主要用于解压内核和以及启动内核映象。一旦内核启动，则这些文件
所占内存空间将被释放。而且，一旦系统通过reset重起，当BootLoader将压缩过
的内核放入内存中，首先执行的必然是这些代码。

head.S相关代码：

/*
* Check to see if we will overwrite ourselves.
* r4 = final kernel address
* r5 = start of this image
* r2 = end of malloc space (and therefore this image)
* We basically want:
* r4 >= r2 -> OK
* r4 + image length <= r5 -> OK
*/
cmp r4, r2
bhs wont_overwrite
add r0, r4, #4096*1024 @ 4MB largest kernel size
cmp r0, r5
bls wont_overwrite

mov r5, r2 @ decompress after malloc space
mov r0, r5
mov r3, r7
bl decompress_kernel

add r0, r0, #127
bic r0, r0, #127 @ align the kernel length
/*
* r0 = decompressed kernel length
* r1-r3 = unused
* r4 = kernel execution address
* r5 = decompressed kernel start
* r6 = processor ID
* r7 = architecture ID
* r8-r14 = unused
*/
add r1, r5, r0 @ end of decompressed kernel

misc.c相关代码

decompress_kernel(ulg output_start, ulg free_mem_ptr_p, ulg free_mem_ptr_end_p,
int arch_id)
{
output_data = (uch *)output_start; /* Points to kernel start */
free_mem_ptr = free_mem_ptr_p;
free_mem_ptr_end = free_mem_ptr_end_p;
__machine_arch_type = arch_id;

arch_decomp_setup();

makecrc();
puts("Uncompressing Linux...");
gunzip();
puts(" done, booting the kernel./n");
return output_ptr;
}

解压缩完内核后，就通过call_kernel，运行实际的内核源码。系统将调入文件：
arch/arm/kernel/head_armv.S或arch/arm/kernel/head_armo.S。对于arm的kernel而言，
有两套.S文件：_armv.S 和 _armo.S. 选择_armv.S 还是_armo.S 依赖于处理器。ARM的
version 1, version 2, 都只支持26位的地址空间。version 3开始支持32位的地址空间，
同时还向后兼容26位的地址空间。version 4开始不再向后兼容26位的地址空间。这里由
于E680使用的是version5，故只涉及文件head_armv.S。
head_armv.S是内核的入口点，在内核被解压到预定位置后，它将运行。head_armv.S
通过调用一些文件进行CPU，内存设置。最后打开MMU，将pipeline清空，以使所有的内存
得以正确的访问。并返回到__mmap_switched清空BSS，并保存CPU类型值(processor ID)
以及系统类型(machine type)，然后跳转到start_kernel。

相关代码：

__mmap_switched:
#ifdef CONFIG_XIP_ROM
ldr r2, ETEXT @ data section copy
ldr r3, SDATA
ldr r4, EDATA
1:
ldr r5, [r2], #4
str r5, [r3], #4
cmp r3, r4
blt 1b
#endif

adr r3, __switch_data + 4
ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, r8, sp}@ r2 = compat
@ sp = stack pointer

mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)
1: cmp r4, r5
strcc fp, [r4],#4
bcc 1b

str r9, [r6] @ Save processor ID
str r1, [r7] @ Save machine type
#ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP
orr r0, r0, #2 @ ...........A.
#endif
bic r2, r0, #2 @ Clear 'A' bit
stmia r8, {r0, r2} @ Save control register values
b SYMBOL_NAME(start_kernel)

start_kernel()是init/main.c中的定义的函数，start_kernel()调用了一系
列初始化函数，以完成kernel本身的设置，其做了大量的工作来建立基本的Linux
核心环境。执行完start_kernel()，则基本的Linux核心环境已经建立起来了。
下面是一些start_kernel里的初始化函数：

trap_init();
init_IRQ();
sched_init();
softirq_init();
time_init();
console_init();
#ifdef CONFIG_MODULES
init_modules();
#endif
mem_init();
kmem_cache_sizes_init();
pgtable_cache_init();

...

在start_kernel()函数最后调用了rest_init();

static void rest_init(void)
{
kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGNAL);
unlock_kernel();
cpu_idle();
}

rest_init用通过kernel_thread，创建了系统第一个核心线程，启动了init()。
核心线程init()主要进行一些外设初始化工作，包括调用do_basic_setup()完成
外设及其驱动程序的加载和初始化，完成文件系统初始化和root文件系统的安装。

执行do_basic_setup()函数之后，init()打开/dev/console设备，并重定向三
个标准的输入输出文件stdin、stdout和stderr到控制台。

if (open("/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)
printk("Warning: unable to open an initial console./n");

init()最后会搜索文件系统中的init程序，或者由init=命令行参数指定的程序，
使用execve()函数调用执行。

if (execute_command)
execve(execute_command,argv_init,envp_init);
execve("/sbin/init",argv_init,envp_init);
execve("/etc/init",argv_init,envp_init);
execve("/bin/init",argv_init,envp_init);
execve("/bin/sh",argv_init,envp_init);
panic("No init found. Try passing init= option to kernel.");

到此init()函数结束，内核的引导部分也到此结束了。

五、Linux手机嵌入式系统init的执行过程

由Shell命令 ps -ef 查看系统进程

Moto E680 系列
------------------------------------------------------
UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD
root 1 0 0 12:14 ? 00:00:00 init

飞利浦 968
------------------------------------------------------

PID Uid VmSize Stat Command
1 root 512 S init

夏新E600
------------------------------------------------------

PID Uid VmSize Stat Command
1 root 532 S init

init的进程ID全部是1，从这一点就能看出，init进程是系统所有进程的起点，
Linux在完成内核引导后，就开始执行init程序了。与PC机的init不同，嵌入式设备
本身就可以依靠独立的init进程完成初始化工作，如/sbin/init /sbin/init.new
没有源码，我们也很难得知他究竟会做些什么，不过init程序还需要读取配置文件
/etc/inittab，inittab是一个普通文本文件，由若干行指令组成。

下面是夏新E600的inittab文件：

# Format for each entry: <id>:<runlevels>:<action>:<process>
#
# id == tty to run on, or empty for /dev/console
# runlevels == ignored
# action == one of sysinit, respawn, askfirst, wait, and once
# process == program to run

::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
::respawn:/root/logger
::respawn:/root/watchdog
::once:/root/run_dv2.sh

# namkyu.kim@cecwireless.com.cn
# Do we have to wait here ?
#::wait:/etc/rc.d/rc 3

# What to do when CTRL-ALT-DEL is pressed.
::ctrlaltdel:/sbin/poweroff

# What to do before system shutdown
null::shutdown:/bin/shutdown.sh

# What to do before power is cut(post init)
null::postinit:/bin/postinit.sh

#::respawn:/sbin/getty -L ttyS1 38400 vt100
#::respawn:/sbin/getty -L ttyS2 115200 vt100
#::once:/sbin/getty -L ttyUSB0 115200 vt100
#ttyUSB0::respawn:-/bin/sh
ttyS2::respawn:-/bin/sh

再看看Moto的inittab文件：

# /etc/inittab: init(8) configuration.
# $Id: inittab,v 1.8 1998/05/10 10:37:50 miquels Exp $

# The default runlevel.
# ezx -- id:3:initdefault:
id:2:initdefault:

# Boot-time system configuration/initialization script.
# This is run first except when booting in emergency (-b) mode.
si::sysinit:/etc/init.d/rcS

# What to do in single-user mode.
~~:S:wait:/sbin/sulogin

# /etc/init.d executes the S and K scripts upon change
# of runlevel.
#
# Runlevel 0 is halt.
# Runlevel 1 is single-user.
# Runlevels 2-5 are multi-user.
# Runlevel 6 is reboot.

l0:0:wait:/etc/init.d/rc 0
l1:1:wait:/etc/init.d/rc 1
l2:2:wait:/etc/init.d/rc 2
l3:3:wait:/etc/init.d/rc 3
l4:4:wait:/etc/init.d/rc 4
l5:5:wait:/etc/init.d/rc 5
l6:6:wait:/etc/init.d/rc 6
# Normally not reached, but fallthrough in case of emergency.
z6:6:respawn:/sbin/sulogin

# What to do when CTRL-ALT-DEL is pressed.
ca:12345:ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t1 -a -r now

# Action on special keypress (ALT-UpArrow).
kb::kbrequest:/bin/echo "Keyboard Request--edit /etc/inittab to let this work."

# What to do when the power fails/returns.
pf::powerwait:/etc/init.d/powerfail start
pn::powerfailnow:/etc/init.d/powerfail now
po::powerokwait:/etc/init.d/powerfail stop

# This line provides a nice out-of-box experience. For regular use, you
# should replace it with the proper getty lines below.

# ezx -- con:2345:respawn:/sbin/getty console
con:2345:once:/sbin/getty -l /bin/fakelogin3 -n console

其中以#开始的行是注释行，除了注释行之外，每一行都有以下格式：
　　id:runlevel:action:process

　　简单作下中文解释，最直接了当的方式就是通过#man inittab查看标准手册。

　　A.id

　　id就是入口标识符，是一个1-4位的字符串，对于getty或mingetty等其他
login程序项，要求id与tty的编号相同，否则getty程序将不能正常工作。

　　B.runlevels

　　runlevel是init所处于的运行级别标识，一般使用0－6以及S或s。0、1、6运行
级别被系统保留。0作为halt动作，1作为重启至单用户模式，6为重启。S和s意义相
同，表示单用户模式，且无需inittab文件，因此也不在inittab中出现，实际上，
进入单用户模式时，init直接在控制台（/dev/console）上运行/sbin/sulogin。
在PC的Redhat系统中，2表示无NFS支持的多用户模式，3表示完全多用户模式
（也是最常用的级别），4保留给用户自定义，5表示XDM图形登录方式。7－9级别也
是可以使用的，传统的Unix系统没有定义这几个级别。runlevel可以是并列的多个值，
以匹配多个运行级别，对大多数action来说，仅当runlevel与当前运行级别匹配成功
才会执行。
如：
　　# Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
　　# 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
　　# 1 - Single user mode
　　# 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
　　# 3 - Full multiuser mode
　　# 4 - unused
　　# 5 - X11
　　# 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)

　　C.action
　　action是描述后面process的运行方式。action可取的值包括：respawn，wait，
once，boot，bootwait，off，ondemand，initdefault，sysinit等等很多。
　　sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行，并忽略其中的
runlevel。
respawn表示此进程遇到关闭时会自动重启。
　　initdefault是一个特殊的action值，用于标识缺省的启动级别；当init由核心激
活以后，它将读取inittab中的initdefault项，取得其中的runlevel，并作为当前的
运行级别。如果没有inittab文件，或者其中没有initdefault项，init将在控制台上
请求输入runlevel。后面的process会被忽略。
once表示此进程在相应运行级别只会运行一次。
wait也是只会运行一次，init会一直等到他运行结束。
kbrequest表示init在接受一个特殊的键盘事件时会启动后面的process。

　　D. process
　　process是具体的执行程序。程序后面可以带参数。

五、Linux嵌入式系统初始化过程

在init进程执行inittab定义的进程时，其实也进行了一些系统初始化。在上面
inittab示例中都有如下类似的内容：

夏新E600：
::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

MOTO E680：
# Boot-time system configuration/initialization script.
# This is run first except when booting in emergency (-b) mode.
si::sysinit:/etc/init.d/rcS

l0:0:wait:/etc/init.d/rc 0
l1:1:wait:/etc/init.d/rc 1
l2:2:wait:/etc/init.d/rc 2
l3:3:wait:/etc/init.d/rc 3
l4:4:wait:/etc/init.d/rc 4
l5:5:wait:/etc/init.d/rc 5
l6:6:wait:/etc/init.d/rc 6

rc.sysinit，rcS，rc这些都是shell的脚本，完成大量的系统初始化的工作。
主要工作包括：激活交换分区，检查磁盘，加载硬件模块以及其它一些需要
优先执行任务。这些脚本内容就比较多了，夏新E600相对简单一些，在此做些简
要的说明。

首先调用/etc/rc.d/rc.sysinit脚本。
rs.sysinit首先会设置PATH环境变量然后调用/etc/rc.d/init.d/functions
进行一些环境变量设置并注册一些函数。这些函数主要都是管理进程的。
完成之后返回rs.sysinit进行一些文件系统，网络的一些设置。接着调用
/etc/rc.d/rc.modules完成驱动安装。
最后判断是否已经init完成，否则会执行“出厂设置的脚本”。
[ -f "/mnt/user/etc/init_done" ] || /usr/bin/origin.sh

到这里::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit就结束了。

接着便运行下面一些必要程序，两个log都是二进制文件没有什么好说的。不
过这里的/root是一个连接，实际位置是/mnt/user/etc。
::respawn:/root/logger
::respawn:/root/watchdog

接着启动的最后一个脚本，具体位置也在/mnt/user/etc下，这个关键脚本就
会运行手机的图形化平台了。
::once:/root/run_dv2.sh

六、小结

这是简单浏览下系统的启动过程，有个初步的概念。但我们也能了解到，夏新
E600一些功能闲置。比起Moto E680，夏新E600和飞利浦968的启动着实简单。不过
夏新E600和飞利浦968更喜欢做封装，基本的sh命令全封装于busybox，图形化程序
又全部封装于quicklauncher。init初始化过程很不透明，启动的服务也做了很多
封装。此外安装软件的限制可以用变态来形容，软件管理方式也是十分呆板。真不
知道还应不应该叫他Linux手机，或者叫Windows更贴切。