（二）内核初始化打印信息分析

# 目录
[TOC]
# 启动过程
系统引导和启动过程略，见其他笔记。

## 内核初始化流程
* 内核初始化的第一步是执行实模式下的汇编代码，之后执行保护模式下的init/main.c文件中的start_kernel()函数。
* start_kernel()函数首先初始化CPU子系统，之后让内存和进程管理系统就位，接下来启动外部总线和I/O设备，最后激活init进程，init进程执行启动必要的内核服务的用户空间程序，最终派生用户登录提示。

## 内核解析BIOS提供的系统内存映射
```
BIOS-provided physical RAM map:
BIOS-e820: 0000000000000000 - 000000000009f000 (usable)
...
BIOS-e820: 00000000ff800000 - 0000000100000000 (reserved)
```
* 上面是一个内核初始化过程打印信息的例子，实模式下的初始化代码通过使用BIOS的int 0x15服务并执行0xe820号函数来获得系统的内存映射信息，包含预留和可用的内存，内核将随后使用这些信息创建其可用的内存池。
![title](/api/file/getImage?fileId=5e24715c56fec84575000020)
* x86中896MB以内的常规的可被寻址的内存区域被称为低端内存，kmalloc()函数就是从该区域分配内存的。高于896MB的内存区域被称为高端内存，只有采用特殊方式进行映射后才能被访问。

## 内核接受bootloader传递的命令行
* 可以通过CONFIG_CMDLINE这个内核配置选项或bootloader配置向内核传递一个命令行，也就是内核引导选项。
![title](/api/file/getImage?fileId=5e24719d56fec84575000021)

## 校准CPU的处理速度
* 内核在启动过程会计算在一个jiffy时间内运行一个内部的延迟循环的次数。jiffy时间的含义是系统定时器在2个连续的节拍之间的间隔，用于校准CPU的处理速度，校准的结果被存储在称为`loops_per_jiffy`的内核变量中。
* 定义于init/calibrate.c文件中的`calibrate_delay()`函数用于得到`loops_per_jiffy`变量值。
![title](/api/file/getImage?fileId=5e24725856fec84575000023)
![title](/api/file/getImage?fileId=5e24722656fec84575000022)
* BogoMIPS可以用作衡量处理器运行速度的相对尺度：
$$BogoMIPS = loops\_per\_jiffy * 1秒内的jiffy数 * 延迟循环消耗的指令数（以百万为单位）$$
* 可以通过lpj=选项预设lpj，无需再计算，优化Linux内核启动时间。

## NET: Registered protocol family 2
* Linux套接字（socket）层是用户空间应用程序访问各种网络协议的统一接口，每个协议通过include/linux/socket.h文件中定义的分配给它的独一无二的系列号注册。
![title](/api/file/getImage?fileId=5e24749f56fec84575000024)
![title](/api/file/getImage?fileId=5e2474ca56fec84575000025)
* 上述打印信息中的Family 2代表互联网协议IP。
* AF_UNIX（Family 1）常被用于在同一个系统中进程间通信（IPC）。

## 释放initrd占用的内存
* initrd是由bootloader加载的常驻内存的虚拟磁盘映像，在内核启动后，会将其挂载作为初始根文件系统。
* 由于内核可运行于各种各样的存储控制器硬件平台上，把所有可能的磁盘驱动程序都直接放到基本的内核映像中并不可行，所以把所使用的系统的存储设备的驱动程序打包放进initrd中，在内核启动后、实际的根文件系统加载之前，这些驱动程序才被加载。
* 在将压缩包中的内容解压为根文件系统后，内核将释放该压缩包所占据的内存，打印下面的信息：
![title](/api/file/getImage?fileId=5e24759956fec84575000026)
* 怎么制作initrd：使用mkinitrd命令或使用cpio命令自己打包。
* 怎么使用initrd：通过initrd=内核引导选项；在bootloader的配置文件中使用initrd命令；在内核配置过程中通过INITRAMFS_SOURCE直接编进内核。

### initrd和initramfs的不同
* initrd模拟了一个磁盘，因而被称为initramdisk或initrd，会带来Linux块I/O子系统的开销（如缓冲）；initramfs基本上如同一个被挂载的文件系统，由自身获取缓冲。
* 基于页缓冲建立的initramfs如同页缓冲一样会动态地变大或缩小，从而减少了其内存消耗。
* initrd要求内核必须包含initrd使用的文件系统的驱动，initramfs不需要额外的文件系统驱动。
* 由于initramfs只是页缓冲之上的一小层，因此它的代码量很小。
* 制作initramfs可以使用mkinitramfs命令。
* 制作initrd/initramfs参考链接：https://blog.csdn.net/htttw/article/details/7217706

## 注册I/O调度器
* I/O调度器的主要目标是通过减少磁盘的定位次数来增加系统的吞吐率。磁盘定位过程中，磁头需要从当前的位置移动到感兴趣的目标位置，这会带来一定的延迟。这里选择deadline作为默认的I/O调度器。
![title](/api/file/getImage?fileId=5e24793256fec84575000027)

## 初始化I/O总线和外围控制器
* 内核会通过遍历PCI总线来探测PCI硬件，接下来再初始化其他的I/O子系统。如SCSI子系统、USB控制器、视频芯片、串行端口、键盘和鼠标、软驱、loopback设备、IDE控制器、以太网控制器等。

## 挂载文件系统
* EXTn是Linux事实上的文件系统，EXT3在EXT2文件系统基础上增添了日志层，该层可用于崩溃后文件系统的快速恢复，它会启动一个kjournald的内核辅助线程来完成日志功能。EXT4向后兼容EXT3、EXT2。
* 以下打印信息说明用的是XFS文件系统，也是一种高性能的日志文件系统：
![title](/api/file/getImage?fileId=5e247cea56fec84575000028)

## 执行内核启动后执行的第一个程序init
* 在linux kernel 5.2.11中，start_kernel之后会调用arch_call_rest_init -> rest_init -> kernel_thread(kernel_init,...) -> run_init_process -> do_execve(getname_kernel(init_filename), (const char __user *const __user *)argv_init, (const char __user *const __user *)envp_init)调用init程序。
![title](/api/file/getImage?fileId=5e24811856fec8457500002c)
* 可以通过init=内核启动选项指定这个init程序，可以是bash、systemd等的路径。
![title](/api/file/getImage?fileId=5e247ea256fec84575000029)
![title](/api/file/getImage?fileId=5e247ecb56fec8457500002b)
* 现在systemd已经取代了sysvinit，不过为了兼容，还是存在/etc/rc.d/rcX.d/目录，用于执行原来的runlevel X的脚本，保留了init、runlevel等命令，并且将systemd可执行程序软链接到了/usr/sbin/init。
![title](/api/file/getImage?fileId=5e2481eb56fec8457500002d)

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