理解運轉良好的系統對于處理不可避免的故障是最好的準備。

關于開源軟件最古老的笑話是：“代碼是自具文檔化的self-documenting”。經驗表明，閱讀源代碼就像聽天氣預報一樣：明智的人依然出門會看看室外的天氣。本文講述了如何運用調試工具來觀察和分析 Linux 系統的啟動。分析一個功能正常的系統啟動過程，有助于用戶和開發人員應對不可避免的故障。

從某些方面看，啟動過程非常簡單。內核在單核上以單線程和同步狀態啟動，似乎可以理解。但內核本身是如何啟動的呢？initrd（initial ramdisk） 和引導程序bootloader具有哪些功能？還有，為什么以太網端口上的 LED 燈是常亮的呢？

請繼續閱讀尋找答案。在 GitHub 上也提供了 介紹演示和練習的代碼。

啟動的開始：OFF 狀態

局域網喚醒Wake-on-LAN

OFF 狀態表示系統沒有上電，沒錯吧？表面簡單，其實不然。例如，如果系統啟用了局域網喚醒機制（WOL），以太網指示燈將亮起。通過以下命令來檢查是否是這種情況：

# sudo ethtool

其中 是網絡接口的名字，比如 eth0。（ethtool 可以在同名的 Linux 軟件包中找到。）如果輸出中的 Wake-on 顯示 g，則遠程主機可以通過發送 魔法數據包MagicPacket 來啟動系統。如果您無意遠程喚醒系統，也不希望其他人這樣做，請在系統 BIOS 菜單中將 WOL 關閉，或者用以下方式：

# sudo ethtool -s wol d

響應魔法數據包的處理器可能是網絡接口的一部分，也可能是 底板管理控制器Baseboard Management Controller（BMC）。

英特爾管理引擎、平臺控制器單元和 Minix

BMC 不是唯一的在系統關閉時仍在監聽的微控制器（MCU）。x86_64 系統還包含了用于遠程管理系統的英特爾管理引擎（IME）軟件套件。從服務器到筆記本電腦，各種各樣的設備都包含了這項技術，它開啟了如 KVM 遠程控制和英特爾功能許可服務等 功能。根據 Intel 自己的檢測工具，IME 存在尚未修補的漏洞。壞消息是，要禁用 IME 很難。Trammell Hudson 發起了一個 me_cleaner 項目，它可以清除一些相對惡劣的 IME 組件，比如嵌入式 Web 服務器，但也可能會影響運行它的系統。

IME 固件和系統管理模式System Management Mode（SMM）軟件是 基于 Minix 操作系統 的，并運行在單獨的平臺控制器單元Platform Controller Hub上（LCTT 譯注：即南橋芯片），而不是主 CPU 上。然后，SMM 啟動位于主處理器上的通用可擴展固件接口Universal Extensible Firmware Interface（UEFI）軟件，相關內容 已被提及多次。Google 的 Coreboot 小組已經啟動了一個雄心勃勃的 非擴展性縮減版固件Non-Extensible Reduced Firmware（NERF）項目，其目的不僅是要取代 UEFI，還要取代早期的 Linux 用戶空間組件，如 systemd。在我們等待這些新成果的同時，Linux 用戶現在就可以從 Purism、System76 或 Dell 等處購買 禁用了 IME 的筆記本電腦，另外 帶有 ARM 64 位處理器筆記本電腦 還是值得期待的。

引導程序

除了啟動那些問題不斷的間諜軟件外，早期引導固件還有什么功能呢？引導程序的作用是為新上電的處理器提供通用操作系統（如 Linux）所需的資源。在開機時，不但沒有虛擬內存，在控制器啟動之前連 DRAM 也沒有。然后，引導程序打開電源，并掃描總線和接口，以定位內核鏡像和根文件系統的位置。U-Boot 和 GRUB 等常見的引導程序支持 USB、PCI 和 NFS 等接口，以及更多的嵌入式專用設備，如 NOR 閃存和 NAND 閃存。引導程序還與可信平臺模塊Trusted Platform Module（TPM）等硬件安全設備進行交互，在啟動最開始建立信任鏈。

在構建主機上的沙盒中運行 U-boot 引導程序。

包括樹莓派、任天堂設備、汽車主板和 Chromebook 在內的系統都支持廣泛使用的開源引導程序U-Boot。它沒有系統日志，當發生問題時，甚至沒有任何控制臺輸出。為了便于調試，U-Boot 團隊提供了一個沙盒，可以在構建主機甚至是夜間的持續集成（CI）系統上測試補丁程序。如果系統上安裝了 Git 和 GNU Compiler Collection（GCC）等通用的開發工具，使用 U-Boot 沙盒會相對簡單：

# git clone git://git.denx.de/u-boot; cd u-boot

# make ARCH=sandbox defconfig

# make; ./u-boot

=> printenv

=> help

在 x86_64 上運行 U-Boot，可以測試一些棘手的功能，如 模擬存儲設備 的重新分區、基于 TPM 的密鑰操作以及 USB 設備熱插拔等。U-Boot 沙盒甚至可以在 GDB 調試器下單步執行。使用沙盒進行開發的速度比將引導程序刷新到電路板上的測試快 10 倍，并且可以使用 Ctrl + C 恢復一個“變磚”的沙盒。

啟動內核

配置引導內核

引導程序完成任務后將跳轉到已加載到主內存中的內核代碼，并開始執行，傳遞用戶指定的任何命令行選項。內核是什么樣的程序呢？用命令 file /boot/vmlinuz 可以看到它是一個 “bzImage”，意思是一個大的壓縮的鏡像。Linux 源代碼樹包含了一個可以解壓縮這個文件的工具—— extract-vmlinux：

# scripts/extract-vmlinux /boot/vmlinuz-$(uname -r) > vmlinux

# file vmlinux

vmlinux: ELF64-bit LSB executable,x86-64,version1(SYSV),statically

linked,stripped

內核是一個 可執行與可鏈接格式 Executable and Linking Format（ELF）的二進制文件，就像 Linux 的用戶空間程序一樣。這意味著我們可以使用 binutils 包中的命令，如 readelf 來檢查它。比較一下輸出，例如：

# readelf -S /bin/date

# readelf -S vmlinux

這兩個二進制文件中的段內容大致相同。

所以內核必須像其他的 Linux ELF 文件一樣啟動，但用戶空間程序是如何啟動的呢？在 main() 函數中？并不確切。

在 main() 函數運行之前，程序需要一個執行上下文，包括堆棧內存以及 stdio、stdout 和 stderr 的文件描述符。用戶空間程序從標準庫（多數 Linux 系統在用 “glibc”）中獲取這些資源。參照以下輸出：

# file /bin/date

/bin/date: ELF64-bit LSB shared object,x86-64,version1(SYSV),dynamically

linked,interpreter /lib64/ld-linux-x86-64.so.2,forGNU/Linux2.6.32,

BuildID[sha1]=14e8563676febeb06d701dbee35d225c5a8e565a,

stripped

ELF 二進制文件有一個解釋器，就像 Bash 和 Python 腳本一樣，但是解釋器不需要像腳本那樣用#!指定，因為 ELF 是 Linux 的原生格式。ELF 解釋器通過調用_start()函數來用所需資源配置一個二進制文件，這個函數可以從 glibc 源代碼包中找到，可以用 GDB 查看。內核顯然沒有解釋器，必須自我配置，這是怎么做到的呢？

用 GDB 檢查內核的啟動給出了答案。首先安裝內核的調試軟件包，內核中包含一個未剝離的unstripped vmlinux，例如apt-get install linux-image-amd64-dbg，或者從源代碼編譯和安裝你自己的內核，可以參照Debian Kernel Handbook中的指令。gdb vmlinux后加info files可顯示 ELF 段init.text。在init.text中用l *(address)列出程序執行的開頭，其中address是init.text的十六進制開頭。用 GDB 可以看到 x86_64 內核從內核文件arch/x86/kernel/head_64.S開始啟動，在這個文件中我們找到了匯編函數start_cpu0()，以及一段明確的代碼顯示在調用x86_64 start_kernel()函數之前創建了堆棧并解壓了 zImage。ARM 32 位內核也有類似的文件arch/arm/kernel/head.S。start_kernel()不針對特定的體系結構，所以這個函數駐留在內核的init/main.c中。start_kernel()可以說是 Linux 真正的main()函數。

從 start_kernel() 到 PID 1

內核的硬件清單：設備樹和 ACPI 表

在引導時，內核需要硬件信息，不僅僅是已編譯過的處理器類型。代碼中的指令通過單獨存儲的配置數據進行擴充。有兩種主要的數據存儲方法：設備樹device-tree和高級配置和電源接口（ACPI）表。內核通過讀取這些文件了解每次啟動時需要運行的硬件。

對于嵌入式設備，設備樹是已安裝硬件的清單。設備樹只是一個與內核源代碼同時編譯的文件，通常與vmlinux一樣位于/boot目錄中。要查看 ARM 設備上的設備樹的內容，只需對名稱與/boot/*.dtb匹配的文件執行binutils包中的strings命令即可，這里dtb是指設備樹二進制文件device-tree binary。顯然，只需編輯構成它的類 JSON 的文件并重新運行隨內核源代碼提供的特殊dtc編譯器即可修改設備樹。雖然設備樹是一個靜態文件，其文件路徑通常由命令行引導程序傳遞給內核，但近年來增加了一個設備樹覆蓋的功能，內核在啟動后可以動態加載熱插拔的附加設備。

x86 系列和許多企業級的 ARM64 設備使用ACPI機制。與設備樹不同的是，ACPI 信息存儲在內核在啟動時通過訪問板載 ROM 而創建的/sys/firmware/acpi/tables虛擬文件系統中。讀取 ACPI 表的簡單方法是使用acpica-tools包中的acpidump命令。例如：

聯想筆記本電腦的 ACPI 表都是為 Windows 2001 設置的。

是的，你的 Linux 系統已經準備好用于 Windows 2001 了，你要考慮安裝嗎？與設備樹不同，ACPI 具有方法和數據，而設備樹更多地是一種硬件描述語言。ACPI 方法在啟動后仍處于活動狀態。例如，運行acpi_listen命令（在apcid包中），然后打開和關閉筆記本機蓋會發現 ACPI 功能一直在運行。暫時地和動態地覆蓋 ACPI 表是可能的，而永久地改變它需要在引導時與 BIOS 菜單交互或刷新 ROM。如果你遇到那么多麻煩，也許你應該安裝 coreboot，這是開源固件的替代品。

從 start_kernel() 到用戶空間

init/main.c中的代碼竟然是可讀的，而且有趣的是，它仍然在使用 1991 – 1992 年的 Linus Torvalds 的原始版權。在一個剛啟動的系統上運行dmesg | head，其輸出主要來源于此文件。第一個 CPU 注冊到系統中，全局數據結構被初始化，并且調度程序、中斷處理程序（IRQ）、定時器和控制臺按照嚴格的順序逐一啟動。在timekeeping_init()函數運行之前，所有的時間戳都是零。內核初始化的這部分是同步的，也就是說執行只發生在一個線程中，在最后一個完成并返回之前，沒有任何函數會被執行。因此，即使在兩個系統之間，dmesg的輸出也是完全可重復的，只要它們具有相同的設備樹或 ACPI 表。Linux 的行為就像在 MCU 上運行的 RTOS（實時操作系統）一樣，如 QNX 或 VxWorks。這種情況持續存在于函數rest_init()中，該函數在終止時由start_kernel()調用。

早期的內核啟動流程。

函數rest_init()產生了一個新進程以運行kernel_init()，并調用了do_initcalls()。用戶可以通過將initcall_debug附加到內核命令行來監控initcalls，這樣每運行一次initcall函數就會產生 一個dmesg條目。initcalls會歷經七個連續的級別：early、core、postcore、arch、subsys、fs、device 和 late。initcalls最為用戶可見的部分是所有處理器外圍設備的探測和設置：總線、網絡、存儲和顯示器等等，同時加載其內核模塊。rest_init()也會在引導處理器上產生第二個線程，它首先運行cpu_idle()，然后等待調度器分配工作。

kernel_init()也可以設置對稱多處理（SMP）結構。在較新的內核中，如果dmesg的輸出中出現 “Bringing up secondary CPUs…” 等字樣，系統便使用了 SMP。SMP 通過“熱插拔” CPU 來進行，這意味著它用狀態機來管理其生命周期，這種狀態機在概念上類似于熱插拔的 U 盤一樣。內核的電源管理系統經常會使某個核core離線，然后根據需要將其喚醒，以便在不忙的機器上反復調用同一段的 CPU 熱插拔代碼。觀察電源管理系統調用 CPU 熱插拔代碼的BCC 工具稱為offcputime.py。

請注意，init/main.c中的代碼在smp_init()運行時幾乎已執行完畢：引導處理器已經完成了大部分一次性初始化操作，其它核無需重復。盡管如此，跨 CPU 的線程仍然要在每個核上生成，以管理每個核的中斷（IRQ）、工作隊列、定時器和電源事件。例如，通過ps -o psr命令可以查看服務每個 CPU 上的線程的 softirqs 和 workqueues。

# ps -o pid,psr,comm $(pgrep ksoftirqd)

PID PSR COMMAND

7 0ksoftirqd/0

16 1ksoftirqd/1

22 2ksoftirqd/2

28 3ksoftirqd/3

# ps -o pid,psr,comm $(pgrep kworker)

PIDPSR COMMAND

4 0kworker/0:0H

18 1kworker/1:0H

24 2kworker/2:0H

30 3kworker/3:0H

[...]

其中，PSR 字段代表“處理器processor”。每個核還必須擁有自己的定時器和cpuhp熱插拔處理程序。

那么用戶空間是如何啟動的呢？在最后，kernel_init()尋找可以代表它執行init進程的initrd。如果沒有找到，內核直接執行init本身。那么為什么需要initrd呢？

早期的用戶空間：誰規定要用 initrd？

除了設備樹之外，在啟動時可以提供給內核的另一個文件路徑是initrd的路徑。initrd通常位于/boot目錄中，與 x86 系統中的 bzImage 文件 vmlinuz 一樣，或是與 ARM 系統中的 uImage 和設備樹相同。用initramfs-tools-core軟件包中的lsinitramfs工具可以列出initrd的內容。發行版的initrd方案包含了最小化的/bin、/sbin和/etc目錄以及內核模塊，還有/scripts中的一些文件。所有這些看起來都很熟悉，因為initrd大致上是一個簡單的最小化 Linux 根文件系統。看似相似，其實不然，因為位于虛擬內存盤中的/bin和/sbin目錄下的所有可執行文件幾乎都是指向BusyBox 二進制文件的符號鏈接，由此導致/bin和/sbin目錄比 glibc 的小 10 倍。

如果要做的只是加載一些模塊，然后在普通的根文件系統上啟動init，為什么還要創建一個initrd呢？想想一個加密的根文件系統，解密可能依賴于加載一個位于根文件系統/lib/modules的內核模塊，當然還有initrd中的。加密模塊可能被靜態地編譯到內核中，而不是從文件加載，但有多種原因不希望這樣做。例如，用模塊靜態編譯內核可能會使其太大而不能適應存儲空間，或者靜態編譯可能會違反軟件許可條款。不出所料，存儲、網絡和人類輸入設備（HID）驅動程序也可能存在于initrd中。initrd基本上包含了任何掛載根文件系統所必需的非內核代碼。initrd也是用戶存放自定義ACPI表代碼的地方。

救援模式的 shell 和自定義的initrd還是很有意思的。

initrd對測試文件系統和數據存儲設備也很有用。將這些測試工具存放在initrd中，并從內存中運行測試，而不是從被測對象中運行。

最后，當init開始運行時，系統就啟動啦！由于第二個處理器現在在運行，機器已經成為我們所熟知和喜愛的異步、可搶占、不可預測和高性能的生物。的確，ps -o pid,psr,comm -p 1很容易顯示用戶空間的init進程已不在引導處理器上運行了。

總結

Linux 引導過程聽起來或許令人生畏，即使是簡單嵌入式設備上的軟件數量也是如此。但換個角度來看，啟動過程相當簡單，因為啟動中沒有搶占、RCU 和競爭條件等撲朔迷離的復雜功能。只關注內核和 PID 1 會忽略了引導程序和輔助處理器為運行內核執行的大量準備工作。雖然內核在 Linux 程序中是獨一無二的，但通過一些檢查 ELF 文件的工具也可以了解其結構。學習一個正常的啟動過程，可以幫助運維人員處理啟動的故障。