Linux内核的启动过程

x86 CPU启动的第一个动作CS:EIP=FFFF:0000H（换算为物理地址为000FFFF0H，因为16位CPU有20根地址线)，即BIOS程序的位置。

BIOS例行程序检测完硬件并完成相应的初始化之后就会寻找可引导介质，找到后把引导程序加载到指定内存区域后，就把控制权交给了引导程序。这里一般是把硬盘的第一个扇区MBR和活动分区的引导程序加载到内存（即加载BootLoader），加载完整后把控制权交给BootLoader。

引导程序BootLoader开始负责操作系统初始化，然后起动操作系统。启动操作系统时一般会指定kernel、initrd和root所在的分区和目录，比如root (hd0,0)，kernel (hd0,0)/bzImage root=/dev/ram init=/bin/ash，initrd (hd0,0)/myinitrd4M.img

内核启动过程包括start_kernel之前和之后，之前全部是做初始化的汇编指令，之后开始C代码的操作系统初始化，最后执行第一个用户态进程init。

而这次的实验我们重点来说下init这个进程。
首先我们先来加载运行一个简易的内核系统，本次的实验都是基于这个简易内核的，



接下来便是通过gdb来跟踪调试内核，我试着用了两个断点来跟踪内核运行，第一步是在内核启动时冻结cpu



第二步就是使用gdb来进行跟踪，通过（gdb）target remote：1234，建立起gdb与gdbserver之间的连接，再按c让qemu上的Linux继续运行，









接下来我在start_kernel和rest_init处分别设置了一个断点来跟踪内核的运行状态：





以上便是我实验做的内容。
接下来我们要分析的是从start_kernel到init进程启动的具体过程



首先我们可以看到这个函数里面有个全局变量init_task,这个init_task即手工创建的PCB，是0号进程，也是最终的idle进程。接着读程序，接下来就是对一些模块的初始化，读到rest_init时，我们可以看到



从rest_init开始，Linux开始产生进程。从上面这个函数我们可以看出，kernel_thread这个函数通过变量kernel_init和kthreadd又生成了1号和2号进程，由于之前通过init_task已经创建了0号进程，而在rest_init函数中，内核将通过下面的代码产生第一个真正的进程(pid=1):

<init/main.c>

static noinline void __init_refok rest_init(void)

{

...

kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);

...

cpu_idle();

}

kernel_init函数可以通过调用kernel_execve来执行根文件系统下的/sbin/init文件。而此时init_task的任务基本上已经完全结束了，它将沦落为一个idle
task，事实上在更早前的sched_init（）函数中，通过init_idle(current, smp_processor_id())函数的调用就已经把init_task初始化成了一个idle task，init_idle函数的第一个参数current就是&init_task，在init_idle中将会把init_task加入到cpu的运行队列中，这样当运行队列中没有别的就绪进程时，init_task（也就是idle task)将会被调用，它的核心是一个while(1)循环，在循环中它将会调用schedule函数以便在运行队列中有新进程加入时切换到该新进程上。

这正好符合了道生一（start_kernel....cpu_idle），一生二（kernel_init和kthreadd），二生三（即前面0、1和2三个进程），三生万物（1号进程是所有用户态进程的祖先，2号进程是所有内核线程的祖先），新内核的核心代码已经优化的相当干净，都符合中国传统文化精神了。

实验总结：
对于整个实验，我们可以清晰的看到内核是怎么创建进程的，这跟道家的道生一（start_kernel....cpu_idle），一生二（kernel_init和kthreadd），二生三（即前面0、1和2三个进程），三生万物（1号进程是所有用户态进程的祖先，2号进程是所有内核线程的祖先）比较贴切，先是有start_kernel这个函数通过init_task创建了0号进程，再由函数kernel_thread通过变量kernel_init和kthreadd又生成了1号和2号进程，而1号进程是所有用户态进程的祖先，2号进程是所有内核线程的祖先，继而可以创建更多的进程了。
作者：叶涛
《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000