Linux内核移植：内核的启动过程分析、启动配置与rootfs必要文件

一、启动过程

 内核启动通常包括4个阶段：

1. iROM代码启动（BIOS启动）。开发板上电后，先执行内部iROM中的固化代码，类似于BIOS，执行通电自检和初始化过程，包括初始化CPU、存储器、时钟、总线等一些必要的硬件资源。
2. 启动引导加载程序BootLoader。根据启动引脚的电平，读取相应的存储介质上的Uboot到RAM。接着，启动Uboot。U-Boot再根据用户传的参数加载内核、设备树、根文件系统。
3. 装载内核。Linux内核镜像文件uImage被载入内存后，首先将自身解压，然后进行系统的一系列初始化工作，包括初始化存储器、中断表、必要的设备驱动，设定分页机制、任务调度机制，接着根据bootargs环境变量载入根文件系统。
4. 系统初始化。根文件系统加载成功后，根据bootargs尝试执行/init命令。如果是RAMDisk，就尝试执行/init命令，否则，就尝试执行/sbin/init、 /etc/init、 /bin/init、 /bin/sh。如果其中任意一个能成功执行，就进人下一阶段，否则，内核启动失败。

二、启动配置

Linux通常有3中系统初始化方式：SysV、systemd、UpStart。

（一）SysV初始化

init是系统的1号进程，可以是可执行脚本，或sysvinit，或者busybox的二进制程序。ramdisk常用可执行程序脚本程序的init，二进制程序常依照/etc/inittab文件执行初始化任务。管理员可以定制/etc/inittab 配置文件来建立所需的系统运行环境。所以，/etc/inittab是rootfs中的重要文件。验证如下：

~$ ls /sbin/init -l
lrwxrwxrwx  1  1000  1000  14 Jan 25  2023 sbin/init -> ../bin/busybox

System V initialization是基于运行级别（Runlevel）来启动系统，用来设置不同环境下所运行的程序和服务。使用运行级别和对应的链接文件（位于etc/rcn.d 目录中，n为运行级别，分别链接到/etc/init.d中的init 脚本）来启动和关闭系统服务。假设当前inittab 中设置的默认运行级别是2，则init 进程会运行/etc/init.d/rc2命令，该命令会依据系统服务的依赖关系遍历执行/etc/rc2.d中的脚本或程序。/etc/rc2.d目录中的文件实际都是指向/etc/init.d/下对应的脚本或程序的软链接。
init 进程根据/etc/inittab中的配置初始化系统，设置系统运行级别及进入各运行级别对应的要执行的命令。inittab 提供了0～6的运行级别选项，runlevels是运行级别列表（如下）。其中，1级（单用户模式）和5级（多用户标准模式）比较常用。系统工作不正常时使用单用户模式维护，工作正常时使用多用户标准模式。在资源受限时（如没有网络环境或没有图形终端）可选择2级。以S开头的表示启动，以K开头的表示停止，并且S或K后面的两位数数字代表了服务的启动顺序，具体由服务依赖关系决定

# Runlevel 0:Halt.
# Runlevel 1:Single-user mode without networking,only for root.
# Runlevel 2:Multi-user mode without networking and daemons.
# Runlevel 3:Multi-user mode with networking.
# Runlevel 4:Not used or user-defined.
# Runlevel 5:Runlevel3+X-window,full functionally.
# Runlevel 6:Reboot.

（二）systemd初始化

新版本的Ubuntu使用systemd来初始化系统，验证如下：

~$ ls /sbin/init -l
lrwxrwxrwx I root root 20 3月 30 00:40 /sbin/init -> /lib/systemd/systemd

systemd最主要的功能包括系统的主机名称、网络设置定、语言处理、文件系统格式及其他系统服务和应用服务的启动等。所有的这些任务都会通过systemd的默认启动目标（/etc/systemd/system/default.target)来配置。
systemd依次执行相应的各项任务来完成系统的最终启动。例如，systemd 首先执行initrd.target所有单元，包括挂载/etc/fstab，最后执行 graphical所需的服务以启动图形界面来让用户以图形界面登录。如果系统的defaulttarget 指向multi-user.target，那么此步骤就不会执行。

三、rootfs中的启动配置文件

1、inittab

基本的ininttab内容如下：

#this is run first except when booting in single-user mode.
::sysinit:/etc/init.d/rcS
# /bin/sh invocations on selected ttys
# start an "askfirst" shell on the console (whatever that may be)
::askfirst:-/bin/sh
# stuff to do when restarting the init process
::restart:/sbin/init
# stuff to do before rebooting
::ctrlaltdel:/sbin/reboot

inittab 文件中的每一项按下面的格式设置：

id: runlevels: action: process

每一项有四个字段，字段之间用冒号隔开。每个字段的含义如下。
（1）起d由1~4个字符组成，作为inittab项的唯一标识。
（2）runlevedls 是运行级别列表。
（3）action指明执行什么动作
（4）process字段包含init执行的进程。
与系统启动相关的文件和目录如下：

|--/etc/
|    |-- inittab	(init脚本）
|    |-- init.d/
|        |-- rc	（启动脚本）
|        |-- rcS	（启动脚本）
|        |-- rc.local（附加启动脚本）
|        |-- ....	（其他系统服务脚本）
|    |--rcS.d/		（S级服务管理目录）
|        |-- ....	（init.d服务脚本链接）
|    |-- rc0.d/		（0级服务管理目录）
|        |-- ....	（init.d服务脚本链接）

2、/etc/init.d/rcS 脚本

   #!/bin/sh## rcS           Call all S??* scripts in /etc/rcS.d in#               numerical/alphabetical order.## Version:      @(#)/etc/init.d/rcS  2.76  19-Apr-1999  [e-mail]#PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/binrunlevel=Sprevlevel=Numask 022export PATH runlevel prevlevel#    Make sure proc is mounted#[ -d "/proc/1" ] || mount /proc##       Source defaults.# 设置环境变量#./etc/default/rcS##       Trap CTRL-C &c only in this shell so we can interrupt subprocesses.#trap ":" INT QUIT TSTP##   Call all parts in order.# # exec /etc/init.d/rc S/bin/mount -a

不要忘记为 rcS 添加可执行权限：

$ chmod +x init.d/rcS

3、fstab

/etc/init.d/rcS中的mount -a。意思是将/etc/fstab的所有内容重新加载。
/etc/fstab 文件负责配置Linux开机时自动挂载的分区。

• fstab中的文件挂载操作如下：
    <file system> <mount point> <type> <options> <dump> <pass>
   　　<file system>:描述要挂载的特殊的块设备或远程文件系统，如/dev/cdrom /dev/sdb等，远程文件系统使用<host>:<dir>.
   　　<mount point>:描述文件系统的挂载点；如果是一个交换分区(swap partitions)，这个域应写为‘none’.
   　　<type>:描述文件系统的类型，Linux支持许多文件系统类型，如adfs, affs, autofs, coda, coherent, cramfs,devpts, efs, ext2, ext3, hfs, hpfs, iso9660, jfs, minix, msdos, ncpfs, nfs,ntfs, proc, qnx4, reiserfs, romfs, smbfs, sysv, tmpfs, udf, ufs, umsdos,vfat, xenix, xfs,等。
   　　<options>:描述关于这个文件系统的挂载选项，基本的选项如下：
   　　　　default:使用默认选项，rw, suid, dev, exec, auto, nouser, and async
   　　　　noauto:当启动时给出“mount -a”命令时并不挂载。
   　　　　user:允许用户挂载
   　　　　owner:允许设备自己挂载
   　　　　comment:供fstab维护程序使用
   　　　　nofail:如果这个设备不存在，不报告错误信息
   　　<dump>:当其值设置为1时将允许dump备份程序备份；设置为0时忽略备份操作；如果文件系统需不需要被dump，则设置为0即可
   　　<pass>:该字段由fsck程序用于确定在重新启动时文件系统检查完成的顺序，启动用的文件系统需要制定为1，其他文件系统需要指定为2，如果没有此域或设置为0表示不检查。其值是一个顺序。当其值为0时，永远不检查；而 / 根目录分区永远都为1。其它分区从2开始，数字越小越先检查，如果两个分区的数字相同，则同时检查

参考博文： 根文件系统（linuxrc、inittab、fstab）
例1:

#device mount-point type options dump fsck order
proc /proc proc defaults 0 0
tmpfs /tmp tmpfs defaults 0 0
sysfs /sys sysfs defaults 0 0
tmpfs /dev tmpfs defaults 0 0

例2：

none /dev/pts devpts gid=5,mode=620 0 0
none /proc proc defaults 0 0
nonc /dev/shm tmpfs defaults 0 0
/dev/hda4 swap swap dcfaults o 0
/dev/edrom /mntcdrom iso9660 noauto,owner,kudzu,ro 0 0
/dev/fd0 /mnt/floppy auto noauto,owner,kudzu 0 0
/dev/hdal /mnt/c vfat exec,dev,suid,rw,umask=0, iocharset=gb2312,codepage=936 0 0

例3：fstab中添加了mount nfs的配置：

192.168.1.7:/CBT-SuperIOT/ /mnt/nfs/ nfs nolock 0 0

4、profile 文件

#!/bin/sh
export HOSTNAME=farsight
export USER=root
export HOME=root
export PS1="[$USER@$HOSTNAME \W]\# "
PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin
LD_LIBRARY_PATH=/lib:/usr/lib:$LD_LIBRARY_PATH
export PATH LD_LIBRARY_PATH

5、其他文件

service,inetd.conf,passwd文件，可以配置telnet服务器的配置和开启：
确保fstab 文件中存在none /dev/pts devpts mode=0622 0 0这一行
确保services文件中存在 telnet 23/tcp这一行
确保 inetd.conf中存在telnet stream tcp nowait root /sbin/telnetd telnetd
确保passwd 文件中存在 root::0:0:root:/:/bin/sh ，表示没有密码的root 帐号