linux 啟動流程？

linux 啟動流程

CPU 上電后最先執行的啟動代碼，通常確實是放在 arch 目錄下對應架構的啟動文件里。這是因為啟動代碼強相關于 CPU 架構和硬件細節，不同架構差異非常大。

具體說明

1. 為什么啟動代碼放在 arch 目錄？

  • 啟動代碼要設置 CPU 狀態（如寄存器、MMU、異常向量表等）。
  • 各架構 CPU 啟動流程不一樣，匯編語言代碼也差別大。
  • 所以放在 arch/架構名/boot/ 或類似目錄，便于管理。

2. 以常見架構為例

架構啟動代碼位置示例說明
x86arch/x86/boot/包含 real mode 到 protected mode 切換等代碼
ARMarch/arm/boot/包含內核入口匯編、initrd搬移等代碼
ARM64arch/arm64/kernel/head.S64位 ARM 啟動匯編代碼
MIPSarch/mips/kernel/MIPS 啟動相關代碼

3. 啟動流程簡述

  • CPU 上電后，會跳轉到一個固定的物理地址（Reset Vector）。
  • 該地址對應的代碼就是架構相關的啟動代碼，一般就是 arch/.../boot/... 里的匯編。
  • 啟動代碼初始化最基本的硬件，設置內存和CPU狀態。
  • 然后跳轉進入 C 語言編寫的內核入口函數 start_kernel()。

總結

  • CPU 上電后的第一段執行代碼一定是架構相關的啟動代碼，放在 arch 目錄下。
  • 這是因為啟動時的硬件初始化和上下文設置緊密依賴 CPU 架構。
  • 通用內核代碼則放在 kernel/、mm/、fs/ 等目錄。

核心原因是內核啟動前后環境差異巨大，必須用匯編代碼做早期硬件和處理器環境初始化，才能安全可靠地進入 start_kernel。

Linux 內核源碼里的 arch/ 目錄是 不同 CPU 架構相關代碼的匯總目錄。

具體解釋

1. Linux 內核支持多種 CPU 架構

  • 比如 x86、ARM、MIPS、PowerPC、RISC-V 等。
  • 每種架構底層硬件接口和啟動流程差別很大。
  • 因此，內核源碼會根據架構分目錄管理。

2. arch/ 目錄的作用

  • arch/ 目錄下每個子目錄對應一個 CPU 架構，比如：
arch/├── x86/      # x86 架構相關代碼├── arm/      # 32位 ARM 架構代碼├── arm64/    # 64位 ARM 架構代碼├── mips/     # MIPS 架構代碼├── riscv/    # RISC-V 架構代碼...
  • 每個目錄里包含啟動匯編、CPU相關驅動、體系結構專屬的調度、內存管理、異常處理等代碼。
  • 其他跟架構無關的內核通用代碼則在 kernel/、mm/、fs/ 等目錄。

詳細解釋

1. CPU 上電后環境非常“原始”

  • CPU 剛上電時，只處于物理地址模式，沒有開啟分頁（虛擬內存）
  • 寄存器值不確定
  • 堆棧、內存布局未初始化
  • 特權級和CPU模式尚未設置

此時無法直接跳轉執行復雜的C代碼，因為C代碼依賴于正確的棧、數據段和運行環境。

2. 匯編入口（_start）做的事情

匯編代碼位于內核最開始的入口，做以下關鍵工作：

  • 設置 CPU 特權級（例如切換到內核態）
  • 配置段寄存器、堆棧指針
  • 設置分頁機制（啟用虛擬內存）
  • 清理未初始化的BSS段
  • 設置全局指針、數據指針等CPU寄存器
  • 關閉中斷或做其他硬件相關初始化

這些操作都只能用匯編完成，因為C環境尚未準備好。

3. start_kernel 的前提

start_kernel() 是用 C 語言寫的，它假設運行環境已經穩定：

  • 棧已初始化
  • 全局變量可以正常訪問
  • CPU 處于正確模式
  • 內存管理子系統已部分就緒

換句話說，start_kernel 是“內核的真正入口”，但不是“CPU的入口”。

4. 總結

階段作用為什么不能直接跳到 start_kernel
CPU 上電 → _start 匯編初始化 CPU 寄存器、棧、分頁、特權級需要底層硬件初始化，C代碼依賴這些，直接跳C會崩潰
_start → start_kernel進入內核 C 語言環境，啟動內核子系統需要完整運行環境，匯編做的準備工作必須先完成

簡單比喻

匯編入口相當于“內核啟動的引導員”，負責把環境布置好；
start_kernel 是“內核真正的司機”，環境準備好了才上車啟動。

好的，講講 secondary_start_kernel 的作用和背景。

什么是 secondary_start_kernel？

  • 它是 Linux 內核在多核（SMP）系統中，非主CPU（Secondary CPU） 啟動時的入口函數。
  • 主CPU（CPU0）執行 start_kernel 來啟動整個系統和初始化多核環境。
  • 其他CPU啟動后，會跳到 secondary_start_kernel，完成自己的初始化流程。

為什么需要 secondary_start_kernel？

  • 多核CPU啟動時，只有主核（CPU0）從復位向量啟動，執行完整的內核啟動流程。
  • 其他核處于停頓狀態，需要被喚醒，并單獨執行一套簡化的初始化。
  • 這些核不會執行 start_kernel，而是執行 secondary_start_kernel，完成自己的CPU初始化和進入調度。

secondary_start_kernel 主要做什么？

  • 初始化該CPU的本地數據結構（如CPU寄存器、TSS、IDT等）
  • 設置該CPU的中斷和調度環境
  • 把該CPU加入到內核的調度器中，開始運行任務
  • 不重復執行主核完成的系統全局初始化

簡單流程示意

主核 (CPU0) 啟動 -> 執行 start_kernel -> 初始化系統 -> 喚醒其他核
其他核 (CPU1..N) 啟動 -> 執行 secondary_start_kernel -> 初始化本地CPU環境 -> 進入調度循環

位置與調用

  • secondary_start_kernel 通常定義在 init/main.c
  • 各架構啟動匯編在喚醒其他CPU時會跳轉到這個函數
  • 是 SMP 初始化的關鍵環節

總結

函數名作用適用CPU
start_kernel主核啟動，系統初始化CPU0（主CPU）
secondary_start_kernel非主核啟動，局部CPU初始化和進入調度其他CPU（輔助CPU）

好的，下面詳細介紹 initrd 在 ARM 和 x86 Linux 內核啟動流程中的具體實現細節，幫助你理解它是怎么工作的。

一、initrd 的啟動流程核心概念

  • initrd 是內核啟動時內存中的一個臨時根文件系統映像。
  • 內核啟動時先掛載它作為根文件系統，執行初始化工作，之后切換到真實根文件系統。
  • 在啟動參數中通過內核命令行參數或 bootloader 傳遞 initrd 的位置和大小。

二、x86 啟動流程中的 initrd

1. Bootloader 階段

  • Bootloader（如 GRUB）加載內核鏡像 vmlinuz 和 initrd 鏡像到內存。
  • 將 initrd 起始地址和大小放入內核啟動參數（例如內核命令行中的 initrd=0x地址,大小）。
  • 將控制權交給內核。

2. 內核啟動匯編階段

  • 在 arch/x86/boot/header.S 等文件，內核啟動匯編代碼初始化后，會調用內核的 C 入口 start_kernel()。
  • 內核解析啟動參數，獲得 initrd 地址和大小。

3. 內核 C 語言初始化階段（init/do_mounts.c）

  • 內核根據啟動參數調用 setup_initrd()（2.6 內核及類似版本）。
  • setup_initrd() 負責把 initrd 映像注冊為臨時塊設備（ramdisk），并掛載為根文件系統（initrd rootfs）。
  • 調用 initrd 內部的 /init 程序進行系統初始化。

4. 切換到真實根文件系統

  • 初始化完成后，pivot_root() 或 switch_root() 將根文件系統切換到硬盤或其他設備的文件系統。
  • initrd 被卸載，內核開始正常運行用戶空間系統。

三、ARM 啟動流程中的 initrd

1. Bootloader 階段

  • Bootloader（如 U-Boot）將內核鏡像（zImage/uImage）和 initrd 加載到內存。

  • U-Boot 通過寄存器（如 r0-r3）傳遞內核啟動參數：

    • r2 寄存器通常保存 initrd 的起始地址。
    • r3 寄存器保存 initrd 大小。

  • 設備樹（DTB）也可能攜帶 initrd 信息。

2. ARM 匯編入口階段 (arch/arm/boot/bootp/init.S 等)

  • 內核啟動匯編代碼讀取這些參數，做內存搬移（前面你看過的 init.S 代碼就是搬移 initrd 的例子）。
  • 將 initrd 拷貝到合適內存區域，確保后續內核使用。

3. 內核 C 入口 (start_kernel)

  • 解析傳入的 initrd 地址和大小，調用 setup_initrd()。
  • initrd 作為臨時根文件系統掛載。
  • 執行 initrd 內部初始化腳本。

4. 切換根文件系統

  • 跟 x86 類似，切換到真實根文件系統，完成啟動。

四、內核中與 initrd 相關的關鍵函數

  • setup_arch()：在架構相關初始化時調用，解析啟動參數，設置 initrd 信息。
  • setup_initrd()：注冊并掛載 initrd，準備臨時根文件系統。
  • mount_root()：掛載根文件系統時優先使用 initrd，后續切換根。
  • pivot_root() / switch_root()：實現根文件系統的切換。

五、簡要總結流程圖

Bootloader 加載內核和 initrd --> 內核啟動匯編（解析initrd參數，搬移initrd） --> start_kernel（調用setup_initrd，掛載initrd） --> 執行initrd內的/init程序初始化 --> 切換到真實根文件系統（硬盤/網絡文件系統等）

六、相關文件位置（Linux 源碼）

功能典型源碼路徑
ARM 啟動匯編arch/arm/boot/bootp/init.S
x86 啟動匯編arch/x86/boot/header.S
initrd 處理init/do_mounts.c、init/do_mounts.h
根文件系統掛載fs/namespace.c

當然可以，下面是將你提供的 Linux 啟動流程（包括 Bootloader、主核、從核、initrd、根文件系統切換等）融合成的一個 Mermaid 序列圖：

? Mermaid 序列圖（Linux 多核啟動流程 + initrd 啟動）

Bootloader主核（CPU0）其他核（CPU1..N）Linux 內核initrd（臨時根文件系統）真實根文件系統上電，跳轉內核入口（arch/.../head.S）執行 start_kernel()初始化內核子系統（時鐘、中斷、內存、調度器等）喚醒其他核（SMP）執行 secondary_start_kernel()初始化 CPU 本地環境，進入 idle/sched 循環解析內核參數，包括 initrd調用 setup_initrd()解壓并掛載 initrd執行 initrd 中的 /init 程序完成系統初始化邏輯（例如掛載 dev tmpfs）切換到真實根文件系統（硬盤/網絡等）執行 /sbin/init（或 systemd）系統啟動完成，進入用戶空間Bootloader主核（CPU0）其他核（CPU1..N）Linux 內核initrd（臨時根文件系統）真實根文件系統

📌 說明

  • CPU0 是主核，從入口跳入 start_kernel，控制整個啟動過程。
  • CPU1..N 是從核，由主核在適當時機喚醒，執行 secondary_start_kernel。
  • Bootloader 通常負責將內核、initrd 以及設備樹加載到內存，并設置參數。
  • initrd 是臨時根文件系統，內核通過參數掛載它，并執行其中的 /init。
  • /init 會負責進一步初始化和掛載真實根文件系統（如 ext4、NFS 等）。
  • 最終系統進入真實根文件系統的 /sbin/init，開始正常運行。

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