原文：Linux電源管理（3）_Generic PM之重新啟動過程
1.前言
在使用計算機的過程中，關機和重啟是最先學會的兩個操作。同樣，這兩個操作在Linux中也存在，可以關機和重啟。這就是這里要描述的對象。在Linux Kernel中，主流的關機和重新啟動都是通過“ reboot”系統調用（具體可參考kernel / sys.c）來實現的。另外，除了我們常用的shutdown和restart兩類操作之外，該系統調用也提供了其他的reboot方式，也會在這里一一說明。
2.內核支持的reboot方式
也許你會奇怪，reboot是重啟的意思，所以用它實現Restart是合理的，但怎么用它實現關機操作呢？答案是這樣的：關機之后，早晚也會開機啊！所以關機是一種特殊的重新啟動過程，只不過持續的時間有點長而已。所以，內核根據不同的表現方式，將重新啟動分成如下的幾種方式：
???????
1： / *2： * _reboot（）系統調用接受的命令。3： *4： *重新啟動使用默認命令和模式重新啟動系統。5： * HALT停止OS，并將系統控制權交給ROM監視器（如果有）。6： * CAD_ON Ctrl-Alt-Del序列導致RESTART命令。7： * CAD_OFF Ctrl-Alt-Del序列將SIGINT發送到初始化任務。8： * POWER_OFF如果可能，請停止OS并從系統中斷開所有電源。9： * RESTART2使用給定的命令字符串重新啟動系統。10： * SW_SUSPEND使用軟件掛起的掛起系統（如果已編譯）。11： * KEXEC使用先前加載的Linux內核重新啟動系統12： * /13：14： #define LINUX_REBOOT_CMD_RESTART 0x0123456715： #define LINUX_REBOOT_CMD_HALT 0xCDEF012316： #define LINUX_REBOOT_CMD_CAD_ON 0x89ABCDEF17： #define LINUX_REBOOT_CMD_CAD_OFF 0x0000000018： #define LINUX_REBOOT_CMD_POWER_OFF 0x4321FEDC19： #define LINUX_REBOOT_CMD_RESTART2 0xA1B2C3D420： #define LINUX_REBOOT_CMD_SW_SUSPEND 0xD000FCE221： #define LINUX_REBOOT_CMD_KEXEC 0x4558454
| 操作類型 | 英文全稱/別名 | 功能描述 | 備注 |
| RESTART | Restart | 正常重啟系統，重新加載內核和用戶空間。 | 用戶最常用的重啟方式，等同于 reboot 命令。 |
| HALT | Halt | 停止操作系統，將控制權交給其他代碼（如 BIOS/UEFI 或監控程序）。 | 表現形式依賴具體硬件實現，可能完全斷電或進入低功耗狀態。 |
| CAD_ON/CAD_OFF | Ctrl+Alt+Del On/Off | 允許/禁止通過 Ctrl+Alt+Del 組合鍵觸發重啟（RESTART）。 | 需鍵盤驅動支持，默認行為由內核配置決定。 |
| POWER_OFF | Power Off | 正常關機，停止操作系統并切斷電源（ACPI 狀態 S5 ）。 | 等同于 poweroff 命令，需硬件支持完全斷電。 |
| RESTART2 | Restart with Command | 重啟時攜帶自定義字符串（ cmd ），傳遞給關注重啟事件的進程或機器相關代碼。 | 用途由設備廠商自定義（如安卓的恢復模式）。 |
| SW_SUSPEND | Software Suspend | 掛起到內存（Suspend-to-RAM）或磁盤（Hibernate），進入低功耗狀態。 | 依賴 CONFIG_SUSPEND 內核選項，詳見后續休眠專題。 |
| KEXEC | Kernel Execute | 跳過 BIOS/UEFI，直接重啟到預加載的其他內核鏡像（需 CONFIG_KEXEC 支持）。 | 用于快速內核熱替換或崩潰恢復（如 kexec -l 加載新內核）。 |
3.重新啟動相關的操作流程
在Linux操作系統中，可以通過重新啟動，停止，關閉電源等命令，啟動重新啟動，具體的操作流程如下：
一般的Linux操作系統，在用戶空間都提供了一些工具集合（如常在嵌入式系統使用的Busybox），這些工具集合包含了重新引導，停止和關機三個和重新引導相關的命令。
用戶空間程序通過reboot系統調用，進入內核空間，內核空間根據執行路徑的不同，提供了kernel_restart，kernel_halt和kernel_power_off三個處理函數，響應用空間的reboot請求這三個處理函數的處理流程大致相同，主要包括：向有關重新引導過程的進程發送通知事件；調用驅動程序核心模塊提供的接口，關閉所有的外部設備；調用驅動程序syscore模塊提供的接口，關閉系統核心；調用架構相關的處理函數，進行后續的處理；最后，調用計算機相關的接口，實現真正意義上的重新啟動另外，采用TTY模塊提供的Sysreq機制，內核提供了其他途徑的關機方法，如某些按鍵組合，向/ proc文件寫入命令等
4.重新啟動過程的內部動作和代碼分析
4.1重啟系統調用
重新啟動系統調用的實現位于“ kernel / sys.c”，其函數原型如下：???????
1： SYSCALL_DEFINE4（reboot，int，magic1，int，magic2，unsigned int，cmd，2： void __user *，arg）reboot，該系統調用的名稱。magic1，magic2，兩個int類型的“魔力數”，用于防止誤操作。具體在“ include / uapi / linux / reboot.h”中定義，感興趣的同學可以去看看（話說這些數字還是蠻有意思的，例如Linus同學及其家人的生日就在里面，猜出來的可以在文章下面留言）。cmd，第2章所描繪的reboot方式。arg，其他的額外參數。
reboot系統調用的內部動作比較簡單：
1）確定調用者的用戶權限，如果不是超級用戶（superuser），則直接返回錯誤（這也是我們再用戶空間執行reboot，halt，poweroff等命令時，必須是root用戶的原因）；
2）判斷預測的魔術數是否匹配，如果不匹配，直接返回錯誤。這樣就可以進行的防止誤動作發生；
3）調用reboot_pid_ns接口，檢查是否需要由該接口處理reboot請求。
4）如果是POWER_OFF命令，且沒有注冊電源關閉的機器處理函數（pm_power_off），把該命令轉換為HALT命令；
5）根據特定的cmd命令，執行具體的處理，包括，
? ? ? 如果是RESTART或RESTART2命令，調用kernel_restart。
? ? ? 如果是CAD_ON或CAD_OFF命令，更新C_A_D的值，則表示允許通過Ctrl + Alt + Del組合鍵重新啟動系統。
? ? ? 如果是HALT命令，調用kernel_halt。
? ? ? 如果是POWER_OFF命令，調用kernel_power_off。
? ? ? 如果是KEXEC命令，調用kernel_kexec接口
? ? ? 如果是SW_SUSPEND，則調用hibernate接口
6）返回上述的處理結果，系統調用結束。
4.2 kernel_restart，kernel_halt和kernel_power_off
1）調用kernel_xxx_prepare函數，進行重新啟動/停止/ power_off前的準備工作，包括，
? ? ? 調用blocking_notifier_call_chain接口，向關心reboot事件的進程，發送SYS_RESTART，SYS_HALT或SYS_POWER_OFF事件。并發送出去。
? ? ? 將系統狀態設置為相應的狀態（SYS_RESTART，SYS_HALT或SYS_POWER_OFF）。
? ? ? 調用usermodehelper_disable接口，禁止用戶模式輔助
? ? ? 調用device_shutdown，關閉所有的設備
2）如果是power_off，并且存在PM相關的power off prepare函數（pm_power_off_prepare），則調用該調用函數；
3）調用migrate_to_reboot_cpu接口，將當前的進程（任務）移到一個CPU上；
注2：對于多CPU的機器，無論由哪個CPU觸發了當前的系統調用，代碼都可以運行在任意的CPU上。這個接口將代碼分派到一個特定的CPU上，并禁止調度器分派代碼到其他CPU上。首先，這個接口被執行后，只有一個CPU在運行，用于完成后續的重新啟動動作。
4）調用syscore_shutdown接口，將系統核心器件關閉（例如中斷等）；
5）調用printk以及kmsg_dump，向這個世界發出最后的聲音（打印日志）；
6）最后，由machine-core的代碼，接管后續的處理。
4.3 device_shutdown
設備模型中和device_shutdown有關的邏輯包括：
1.每個設備（結構設備）都會保存該設備的驅動（結構設備驅動程序）指針，以及該設備所在的總線（結構總線類型）的指針
2.設備驅動中有一個名稱為“ shutdown”的某種函數，用于在device_shutdown時，關閉該設備
3.總線中也有一個名稱為“ shutdown”的某種函數，用于在device_shutdown時，關閉該設備
4.系統的所有設備，都存在于“ / sys / devices /”目錄下，而該目錄由名稱為“ devices_kset”的kset表示。kset中會使用一個鏈表保存其下所有的kobject（也即“ / sys / devices /”目錄下的所有設備）。”的最終結果就是，以“ devices_kset”為根目錄，將內核中所有的設備（以相應的kobject為代表），組織成一個樹狀結構
device_shutdown的實現，該接口位于“ drivers / base / core.c”中，執行邏輯如下。???????
1： / **2： * device_shutdown-在每個設備上調用-> shutdown（）以關閉。3： * /4： 無效device_shutdown（void）5： {6： 結構設備* dev，* parent;7：8： spin_lock（＆devices_kset-> list_lock）;9： / *10： *向后移動設備列表，依次關閉每個設備。11： *請注意，設備拔出事件也可能會開始拉12： *設備離線，即使系統正在關閉。13： * /14: while (!list_empty(&devices_kset->list)) {15: dev = list_entry(devices_kset->list.prev, struct device,16: kobj.entry);17:?18: /*19: * hold reference count of device's parent to20: * prevent it from being freed because parent's21: * lock is to be held22: */23: parent = get_device(dev->parent);24: get_device(dev);25: /*26: * Make sure the device is off the kset list, in the27: * event that dev->*->shutdown() doesn't remove it.28: */29: list_del_init(&dev->kobj.entry);30: spin_unlock(&devices_kset->list_lock);31:?32: /* hold lock to avoid race with probe/release */33: if (parent)34: device_lock(parent);35: device_lock(dev);36:?37: /* Don't allow any more runtime suspends */38: pm_runtime_get_noresume(dev);39: pm_runtime_barrier(dev);40:?41: if (dev->bus && dev->bus->shutdown) {42: if (initcall_debug)43: dev_info(dev, "shutdown\n");44: dev->bus->shutdown(dev);45: } else if (dev->driver && dev->driver->shutdown) {46: if (initcall_debug)47: dev_info(dev, "shutdown\n");48: dev->driver->shutdown(dev);49： }50：?51： device_unlock（dev）;52： 如果（父母）53： device_unlock（parent）;54：?55： put_device（dev）；56： put_device（父）；57：?58： spin_lock（＆devices_kset-> list_lock）;59： }60： spin_unlock（＆devices_kset-> list_lock）;61： async_synchronize_full（）;62： }
4.4 system_core_shutdown
系統核心的關機和設備的關機類似，也是從一個鏈表中，遍歷所有的系統核心，并調用它的關機接口。
4.5 machine_restart，machine_halt和machine_power_off
雖然以machine_為預先命名，這三個接口卻是屬于架構相關的處理函數，如ARM。以ARM為例，它們在“ arch / arm / kernel / process.c”中實現，具體如下。
4.5.1機器重啟???????
1： / *2： *重新啟動要求輔助CPU停止執行任何活動3： *，同時主CPU重置系統。具有單個CPU的系統可以4： *使用soft_restart（）作為其機器描述符的.restart鉤子，因為5： *將導致唯一可用的CPU復位。具有多個CPU的系統必須6： *提供硬件重新啟動實施，以確保所有CPU立即復位。7： *這是必需的，以便在主CPU上復位后運行的任何代碼8： *不必與其他CPU協調以確保它們仍然不處于運行狀態9： *執行預重置代碼，并使用主CPU的代碼希望的RAM10： *使用。實施這種協調基本上是不可能的。11： * /12： void machine_restart（char * cmd）13： {14： smp_send_stop（）；15：?16： arm_pm_restart（reboot_mode，cmd）;17：?18： / *給失敗的寬限期1s * /19： mdelay（1000）;20：?21： / *糟糕-平臺無法重新啟動。告訴用戶！* /22： printk（“重新啟動失敗-系統停止\ n”）;23： local_irq_disable（）;24： 而（1）;25： }
0）先轉述一下該接口的注釋；
對于多CPU的機器而言，重新啟動之前必須保證其他的CPU位于非活動狀態，由其中一個主CPU負責重新啟動動作。并且，必須實現一個基于硬件的重新啟動操作，以保證所有CPU同步重啟，這是設計的重點！
對于單CPU機器而言，就相對簡單了，可以直接用軟件reset的方式實現重啟。
1）調用smp_send_stop接口，確保其他CPU位于非活動狀態；
2）調用機器相關的重啟接口，實現真正的重啟。該接口是一個變量函數，由“ arch / arm / kernel / process.c”聲明，由具體的機器代碼實現。格式如下：
? ? ? void（* arm_pm_restart ）（char str，const char * cmd）= null_restart;
? ? ? EXPORT_SYMBOL_GPL（arm_pm_restart）;
3）等待1s；
4）如果沒有返回，則重啟成功，否則失敗，打印錯誤信息。
4.5.2 machine_halt
ARM的halt很簡單，就是將其他CPU停下來，并禁止當前CPU的中斷后，死循環！確實，中斷被禁止了，又死循環了，不halt才怪。代碼如下：???????
1： / *2： *停止僅要求輔助CPU停止執行任何操作3： *活動（執行任務，處理中斷）。smp_send_stop（）4： *實現此目標。5： * /6： void machine_halt（void）7： {8： smp_send_stop（）；9：?10： local_irq_disable（）;11： 而（1）12： }
4.5.3 machine_power_off
power off動作和restart類似，即停止其他CPU，調用其他函數。power off的某些函數和restart類似，就不再說明了。
5.總結與思考
5.1建筑和機器的概念
本文是我們在分析Linux內核時第一次遇到架構和機器的概念，順便解釋一下。內核代碼中最常見的目錄結構就是：arch / xxx / mach-xxx /（例如arch / arm / mach-bcm /）。由該目錄結構可知，架構（簡稱arch）是指具體的體系結構，如ARM，X86等。機器呢，是指具體體系結構下的一個或多個的SOC，如bcm等。
5.2電源管理驅動（和reboot有關的部分）需要實現的內容
由上面的分析可知，在Reboot的過程中，大部分的邏輯是否內核處理的，具體的驅動程序需要關注2點即可：
1）實現各自的關機接口，以正確關閉對應的設備
2）實現機器相關的接口，以確保足夠的機器可以正確重啟或關閉電源
看來還是很簡單的
