리눅스 부팅과정 충북대학교 전기전자컴퓨터공학부 서 영 훈

리눅스 시스템 전체 부팅 과정 <리눅스 시스템 부팅 과정>

리눅스 시스템 전체 부팅 과정 ROM-BIOS 실행 메모리에 부트 프로그램 적재 메인보드의 ROM-BIOS가 실행 POST(power-on self test) 장치들을 초기화하고 부팅이 가능한 장치 탐색 메모리에 부트 프로그램 적재 MBR(Master Boot Record)에서 부트 프로그램(부트로더)을 읽어 들여 메모리로 적재 부트로더로 제어권을 넘겨줌 부트로더: LILO, GRUB, ppcboot, uboot GRUB: /boot/grub

리눅스 시스템 전체 부팅 과정 부팅 매체의 0번 섹터를 지칭 grub을 설치할 때 MBR에 자신을 위한 로더를 기록, 부팅할 때 grub이 실행되도록 함 부트 프로그램 코드와 파티션 테이블 및 매직 넘버로 구성 매직 넘버: 0xAA55 실제로 이 영역이 MBR이 맞는지 확인하는 값 크기: 512byte <MBR의 구조>

리눅스 시스템 전체 부팅 과정 부트로더 화면에서 부팅 메뉴를 선택하는 부분은 stage2에 해당 MBR(주 부트로더) stage1  stage1.5  stage2 화면에서 부팅 메뉴를 선택하는 부분은 stage2에 해당 </boot/grub 디렉토리>

리눅스 시스템 전체 부팅 과정 커널 이미지 로딩 및 수행 GRUB으로 해당 커널 이미지를 로딩 압축 이미지 해제 커널로 제어권이 넘어옴 커널이 부팅 시 관련 코드 arch/i386/boot/bootsect.S arch/i386/boot/setup.S (start()) arch/i386/boot/compressed/head.S (setup_32()) arch/i386/boot/compressed/misc.c (decompress_kernel()) arch/i386/boot/kernel/head.S (startup_32()) init/main.c (start_kernel())

리눅스 시스템 전체 부팅 과정 arch/i386/boot/setup.S 커널 이미지가 호출되며 start() 함수가 수행 기본적인 하드웨어 수정 arch/i386/boot/compressed/head.S의 startup_32() 함수 호출 arch/i386/boot/compressed/head.S startup_32() 함수 스택 설정 BSS(Block Started by Symbol)을 초기화 arch/i386/boot/compressed/misc.c 내의 decompress_kernel() 함수를 호출하여 압축된 커널 해제

리눅스 시스템 전체 부팅 과정 arch/i386/kernel/head.S start_kernel() 함수 startup_32() 압축이 해제된 커널에서의 시작점 하드웨어 종속적인 초기화 세그먼트 값들의 설정 페이지 테이블 초기화 및 페이징 인에이블(enable) BSS 섹션 초기화 IDT 설정 부트 파라미터와 커널 커맨드 라인의 복사 CPU 유형 검사 및 FPU 검사 GDT와 IDT 로딩 start_kernel() 함수 호출 커널의 메인 시작 함수인 start_kernel을 호출 start_kernel() 함수 init/main.c 실질적인 리눅스 커널의 엔트리 포인트 리눅스 커널의 거의 모든 초기화를 처리하는 방대한 함수 init 프로세스를 생성하는 init() 함수를 호출

리눅스 시스템 전체 부팅 과정 <start_kernel() 함수의 수행 흐름>

리눅스 시스템 전체 부팅 과정 init 프로세스(스레드)의 생성 init/main.c내의 init() 함수 start_kernel( ) 함수에서 아직 처리되지 않은 나머지 부분들 초기화한 후 다음 루트 파일 시스템을 마운트 초기 콘솔을 열고 루트 파일시스템에서 init 파일(/sbin/init)을 실행시킴 /sbin/init 최초의 사용자 레벨의 프로그램 만약 init을 찾지 못하면 커널은 부팅 시 패닉(panic) dup 시스템 콜 stdin(표준입력)의 파일 디스크립터를 비어 있는 다음 파일 디스크립터에 복사하고, 파일 디스크립터 1, 2를 표준 출력과 표준 에러에 차례대로 할당

리눅스 시스템 전체 부팅 과정 inittab 파일 수행 /etc/inittab 파일을 읽어 수행 런 레벨(run level)에 따라 필요한 기능들을 수행 후 마지막으로 getty(mingetty)를 호출하여 로그인 프롬프트를 띄우고 사용자들이 로그인할 수 있도록 함 최종적으로 사용자가 로그인하면 쉘(shell)을 띄우고 사용자의 다음 명령을 기다림 <리눅스 로그인 화면>

start_kernel() 함수 소스코드 01 asmlinkage void __init start_kernel(void) 02 { 03 char * command_line 04 extern char saved_command_line[]; 05 lock_kernel(); 06 printk(linux_banner); 07 setup_arch(&command_line); 08 printk("Kernel command line: %s \n", saved_command_line); 09 parse_options(command_line); 10 trap_init(); 11 init_IRQ(); 12 sched_init(); 13 softirq_init(); 14 time_init(); 15 console_init(); 16 init_modules(); 17 kmem_cache_init(); sti(); calibrate_delay(); 20 mem_init(); 21 kmem_cache_sizes_init(); 22 pgtable_cache_init(); 23 if (num_mappedpages == 0) 24 num_mappedpages = num_physpages 25 fork_init(num_mappedpages); 26 proc_caches_init(); 27 vfs_caches_init(num_physpages); 28 buffer_init(num_physpages); 29 page_cache_init(num_physpages); 30 signals_init(); 31 proc_root_init(); 32 check_bugs(); 33 acpi_early_init(); /* before LAPIC and SMP init */ 34 printk("POSIX conformance testing by UNIFIX \n"); 35 smp_init(); 36 rest_init(); 37 }

start_kernel() 함수 init/main.c 코드 내용 리눅스 커널의 거의 모든 초기화 부분을 처리하는 방대한 함수 시스템 전체에 사용될 하드웨어뿐만 아니라 각각의 서브 시스템에서 사용되는 자원들을 초기화하는 루틴을 수행 코드 내용 5행 : 리눅스가 SMP 환경에서 실행되는 경우를 위해 먼저 락(lock)을 설정 include/asm/i386/smplock.h 6행 : linux_banner 출력 init/version.c /var/log/dmesg에 기록 #cat /proc/version

start_kernel() 함수 7행 : setup_arch( ) 8행 : 화면에 커널 커맨드 라인을 출력 부트 커맨드라인을 인수로 받아 아키텍처에 의존적인 초기화 루틴 수행 시스템의 여러 정보들을 수집 메모리 레이아웃을 분석 및 설정 페이징 시스템 초기화 전원 관리 등 arch/"CPU이름"/kernel/setup.c  arch/i386/kernel/setup.c 8행 : 화면에 커널 커맨드 라인을 출력 9행 : 커맨드 라인의 커널 옵션을 파싱 10행 : 트랩(예외) 핸들러를 설정 시스템 콜 소프트웨어 인터럽트를 위한 핸들러도 설정 리눅스에서의 예외 처리는 자체 인터럽트 디스크립터 사용 0x00 ~ 0x19 0x80 : 시스템 콜 arch/i386/kernel/traps.c

start_kernel() 함수 11행 : init_IRQ() 12행 : sched_init( ) 함수 arch/i386/kernel/i8259.c 인터럽트 핸들러들을 설정 init_ISA_irqs() 함수를 호출하여 두 개의 8259A 인터럽트 컨트롤러를 초기화, ISA IRQ들을 위한 기본 인터럽트 핸들러들을 설정 인터럽트 벡터들을 위한 인터럽트 게이트들을 세팅 12행 : sched_init( ) 함수 프로세스 스케줄링을 위한 초기화 작업을 수행 kernel/sched.c init 태스크가 사용하는 CPU 번호 할당 pid 해시 테이블(hash table)을 초기화 시스템의 타이머를 초기화 "bottom-half" 큐들을 초기화 lazy TLB(translation lookaside buffer) 생성

start_kernel() 함수 13행 : softirq_init() 14행 : time_init() 함수 kernel/softirq.c tasklet, softirq을 초기화 리눅스에서는 여러 개의 CPU에서 bottom-half를 수행할 수 있도록 softirq와 tasklet을 사용 14행 : time_init() 함수 arch/i386/kernel/time.c CMOS에서 시스템의 현재 시간을 읽어 옴 IRQ0 타이머 틱 인터럽트 핸들러를 설정 커널의 3가지 시간을 측정 방법 PIT 타이머 이용 RTC(Real Time Clock) 이용 TSC(Time Stamp Counter) 이용 15행 : console_init() drivers/char/tty_io.c 콘솔 초기화

start_kernel() 함수 16행 : init_modules( ) 함수 17행 : kmem_cache_init( ) 함수 kernel/module.c 커널 모듈을 설정 커널 심볼 테이블의 크기(수) 초기화 17행 : kmem_cache_init( ) 함수 mm/slab.c 슬랩 할당자(slab allocator)를 초기화 페이지 단위로 메모리를 할당받아 생성되는 커널 오브젝트들의 크기에 맞게 메모리를 할당해주는 알고리즘 18행 : sti( ) 함수 인터럽트 가능 상태로 설정 19행 : calibrate_delay( ) 함수 "loops_per_jiffy" 지연 루프 값을 계산 BogoMIPS 출력

start_kernel() 함수 20행 : mem_init( ) 함수 arch/i386/mm/init.c empty_zero_page를 초기화 메모리 영역을 해제(free_pages_init() ) 예약된 RAM 페이지 수를 카운트 시스템의 메모리 크기, 커널 코드 크기, 예약된 메모리 크기, 커널 데이터 크기, init의 크기, High 메모리의 크기들의 정보를 출력 21행 : kmem_cache_sizes_init( ) 함수 mm/slab.c 일반적인 캐시들을 초기화 22행 : pgtable_cache_init( ) 함수 페이지 테이블 캐시를 초기화 23~24행 : num_mappedpages 변수를 사용하여 페이지 수를 설정

start_kernel() 함수 25행 : fork_init() 함수 26행 : proc_caches_init( ) 함수 kernel/fork.c 최대 스레드의 수를 메모리 크기에 따라 결정 init 태스크의 자원 할당과 관련된 부분을 초기화 26행 : proc_caches_init( ) 함수 signal_act, files_cache, fs_cache, vm_area_struct, mm_struct에 대한 slab 캐시들을 생성 27행 : vfs_caches_init( ) 함수 fs/dcache.c bh_cache, names_cache, filp_cache, dquot에 대한 slab 캐시를 생성 dentry_cache와 dentry_hashtable을 생성

start_kernel() 함수 28행 : buffer_init( ) 함수 29행 : page_cache_init( ) 함수 fs/buffer.c 버퍼 캐시 해시 테이블을 할당하고 초기화 buffer_head 구조체가 초기화 해시 체인과 LRU 리스트를 셋업 29행 : page_cache_init( ) 함수 mm/filemap.c 페이지 캐시 해시 테이블을 할당하고 초기화 30행 : signals_init( ) 함수 kernel/signal.c 시그널 처리와 관련된 sigqueue 슬랩 캐시를 생성 31행 : proc_root_init( ) 함수 fs/proc/root.c /proc 파일시스템 설정 /proc/net, /proc/fs, /proc/driver 등

start_kernel() 함수 32행 : check_bugs() 함수 33행 : acpi_early_init() 함수 linux/include/asm-i386/bugs.h 커널 설정 체크, FPU 체크, Halt 체크 등 시스템의 문제점을 체크  33행 : acpi_early_init() 함수 디바이스들이 예약된 I/O 포트를 사용할 수 있도록 설정 커맨드라인에 acpi=off가 설정된 경우에는 skip 35행 : smp_init() 함수 init/main.c 다른 SMP 프로세서들을 시작시킴 36행 : rest_init( ) 함수 init 프로세스를 생성 커널의 락을 해제 대기(idle) 상태로 들어감(CPU_idle() 함수, idle process, pid 0 )

inittab 파일 inittab 파일 시스템의 상태에 따라 해당 런 레벨(run level)에서 init 프로세스가 수행해야 할 일들을 기술해 놓은 파일 런레벨 기능 시스템 종료 1 싱글 유저 모드 2 NFS를 제외한 다중 사용자 모드 만약 네트워크를 사용하지 않으면 런 레벨 3과 동일 3 풀(Full) 다중 사용자 모드 4 사용되지 않음(unused) 5 X 윈도우 6 시스템 재부팅 <런레벨의 종류>

inittab 파일 소스코드 01  02 # inittab   This file describes how the INIT process should set up 03 #  the system in a certain run-level. 04  05 # Author:  Miquel van Smoorenburg, <miquels@drinkel.nl.mugnet.org> 06  # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes 07  08  09  # Default runlevel. The runlevels used by RHS are: 10  #   0 - halt (Do NOT set initdefault to this) 11  #   1 - Single user mode 12  #   2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not have networking) 13  #   3 - Full multiuser mode 14  #   4 - unused 15  #   5 - X11 16  #   6 - reboot (Do NOT set initdefault to this) 17 18  id:5:initdefault: 19  20  # System initialization. 21  si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit 22  23  l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0 24  l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1 25  l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2 26  l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3 27  l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4 28  l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5 29  l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6 30  31  # Trap CTRL-ALT-DELETE 32  ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now 33  34   # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes

inittab 파일 소스코드(계속) 35   # of power left.  Schedule a shutdown for 2 minutes from now. 36  # This does, of course, assume you have powerd installed and your 37   # UPS connected and working correctly. 38  pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down" 39  40  # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it. 41  pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled" 42 43  # Run gettys in standard runlevels 44  1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1 45  2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2 46  3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3 47  4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4 48  5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5 49  6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6 50  51  # Run xdm in runlevel 5 52  x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon

inittab 파일 각 엔트리들의 구성 ① identifier: 각 엔트리를 구분하기 위한 식별자 (1개 문자 또는 1개 이상의 문자열) ② run level: 각 엔트리가 수행되어지는 런 레벨 목록 ③ action: process 필드에 기술된 프로세스를 어떻게 처리할 지의 방식 ④ process: 실행시키고자 하는 프로세스 및 인자

inittab 파일 action의 종류 initdefault : 디폴트 런 레벨을 지정 sysinit : 시스템 부트 시에 실행되며 런 레벨 필드는 무시 boot 또는 bootwait 엔트리들이 수행되기 전에 실행됨 wait : 프로세스를 실행한 후 init 프로세스가 실행한 프로세스가 종료하기까지 기다리라는 의미 once : 프로세스를 실행한 후 wait처럼 기다리지 않도록 지정 만약 프로세스가 죽더라도 재실행하지 않음 ctrlaltdel : init 프로세스가 SIGINT 시그널을 받으면 프로세스 실행 시스템 콘솔 상에서 CTRL+ALT+DEL 키를 누르면 실행된다. powerwait : 전원에 문제가 있는 경우 실행 init은 프로세스가 종료될 때까지 기다림

inittab 파일 powerokwait : 전원이 회복되면 실행됨 powerfail : powerwait 항목과 다른 것은 init가 프로세스의 종료를 기다리지 않는다는 점 respawn : 실행한 프로세스가 죽게 되면 다시 실행하도록 지정 예 : getty 프로세스의 실행에 적용 kbrequest : 키보드 핸들러로부터 init이 시그널을 받으면 프로세스 실행 off : 프로세스가 현재 실행 중이 아니면 엔트리는 무시 만약 이 엔트리와 연관된 프로세스가 현재 실행 중이면 경고 시그널을 보내고 종료되기 전에 20초 동안 대기 boot : 시스템 부팅 동안 프로세스가 실행. 런 레벨 필드는 무시 bootwait : boot와 다른 점은 프로세스가 종료할 때까지 기다린다는 점

inittab 파일 21행 : /etc/rc.d/rc.sysinit 가장 먼저 실행되는 스크립트로서, 시스템을 초기화하는 스크립트 부팅할 때 화면에 나타나는 시스템의 초기화와 관련된 거의 모든 메시지들이 이 파일의 실행 과정에서 나타나는 메시지 런 레벨과 무관하게 부팅 시 한번만 실행 폰트 설정 네트워크 설정 적용 proc 파일시스템 마운트 커널 파라미터 구성 시스템 클록 세팅 호스트 이름 설정 USB 콘트롤러, HID 디바이스 초기화 루트 파일 시스템 재마운트(Read-Write 모드) LVM 초기화 스왑 파티션 활성화 모듈 적재 파일 시스템 점검 모든 다른 파일 시스템 마운트 시리얼 포트 초기화 기타 시스템 초기화

inittab 파일 23행~29행 : l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0 ~ l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6 결정된 런 레벨에 따라 조건에 맞는 엔트리를 실행 런 레벨이 5면 /etc/rc.d/rc5.d의 내용들을 순차적으로 실행 런 레벨이 0이면 /etc/rc.d/rc0.d의 파일들이 순차대로 실행됨 런 레벨이 6이면 /etc/rc.d/rc6.d의 파일들이 순차대로 실행됨 각 디렉토리 내에는 각 런 레벨에 따라 죽여야 할 프로세스들과 실행시켜야할 프로세스들이 명시 K와 S로 시작하는 파일들이 링크 파일 형태로 존재 파일명이 K로 시작하면 죽여야 할 프로세스, S로 시작하면 실행해야 할 프로세스를 의미 K나 S 뒤에 명시되어 있는 두 자리 숫자는 실행 순서 32행 : ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now CTRL + ALT + DEL 키를 동시에 눌렀을 때 실행되는 엔트리 -r 옵션을 -h 옵션으로 변경하면 시스템을 종료

inittab 파일 38행 : pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure System Shutting Down" UPS 전원 공급에 문제가 있는 경우, 2분 후에 시스템을 자동으로 종료시키는 설정 41행 : pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored Shutdown Cancelled" UPS가 복구되어 다시 전원이 공급되는 경우, 시스템 종료를 취소하기 위해 설정된 엔트리 44행~49행 : 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1~6:2345:respawn:/sbin/ mingetty tty6 mingetty 데몬을 통해 6개의 가상 콘솔이 실행 각각의 콘솔 화면에서 별도로 로그인이 가능하며 또한 별개의 프로그램 작업과 같은 일을 수행 가능 X 윈도우 시스템은 가상 콘솔 7을 사용  Alt + F* 키의 조합을 이용(또는 Ctrl+Alt+F* 키의 조합) /sbin/mingetty login 프로세스를 실행시킴 사용자의 로그인을 처리하기 위해 login 프롬프트를 띄우고 사용자의 ID가 입력되기를 기다림 패스워드가 틀리면? respawn

Thank you!