Linux内核开发——内核镜像文件及启动过程

Posted 2022-06-24 -飞鹤-

1. 内核镜像文件

1.1. vmlinux

vmlinux是elf(Excutable And Linkable)，即可执行文件。里面含有调试信息，可用于调试，所以占有空间较大。gcc编译连接之后直接生成vmlinux文件。

1.2. Image

efl文件含有调试信息，太占空间了，gcc提供了objcopy工具，可以将elf文件中的调试信息去除，只留下可执行指令的二进制指令。

1.3. zImage

Image文件依然比较大，此时可以使用gzip来压缩Image文件得到zImage文件。引导文件在加载zImage文件之后，会利用gzip进行解压，然后执行相关指令。

1.4. bzImage

gzip的压缩率不太优秀，bzImage是一种采用更高压缩比的算法处理Image文件之后得到的文件。
在编译内核时，直接使用make bzImage即可以编译连接生成vmlinux文件，然后objcopy转换为Image文件，再压缩为zbImage文件。一般情况下均使用bzImage文件。ubuntu中会用vmlinuz来作为bzImage文件的后缀。

1.5. uImage

uImage文件是专为uboot准备的镜像文件格式，它会在zImage文件前面加上一个64byte的信息头，用来标识镜像文件的类型，生成时间，加载启动地址，文件有效长度等信息。一般使用make uImage生成。

1.6. ko

Linux内核可以编译为一个elf文件，直接被引导程序加载支行。但是如果只是想修改内核其中的一个功能，就必须编译整个内核代码，非常耗时。为此，Linux整个内核也是一个主elf文件，加上其他这么多动态库文件。内核的动态库文件即ko文件。一般存放在lib\\modules中对应的内核目录中。

1.7. initrd

内核启动前的初始化执行文件，在内核真正启动前加载好一些常用的驱动代码。

1.8. System.map

内核的符号文件，供一些内核附带的工具使用。相当于内核的一个接口导出文件，对应函数符号与函数地址，供外部工具调用。

2. Linux的启动过程

2.1. Bios

Bios会根据设置的Boot优先顺序去读取指定的存储设备。存储设备的开始存放着MBR，MBR上记录着一段启动代码，会去存储设备指定位置读取内容。早期的设备是bios+MBR，此方式比较受限，不够灵活。新的电脑葳都采用UEFI+GPT，支持更大的容量，更多的逻辑分区数。

2.2. grub

MBR/GPT上存储着grub代码，用以引导具体启动哪个操作系统。是一种常见的Bootloader程序。grub会将initrd或vmlinz文件加载到ram指定位置上。

2.3. initrd

在加载操作系统内核代码之前，grub会先加载initrd文件，即Initiative RAM dis。initrd主要完成磁盘和网卡等的驱动挂载，这样才内核直接启动之后，才能去访问硬盘或网络来完成进一步的启动。如果要增加自定义驱动，需要修改此文件。

2.3. systemd

systemd，system daemon，系统守护进程，Linux系统的第1个进程，PID为1。systemd可以管理系统所有资源。早期的1号进程是sysvinit，其启动完整内核的过程是顺序的，这样启动会比较慢。而systemd则是尽量并行启动其他进程，这样系统启动会更快。传统的sysvinit会启动很多比较少用到的进程，而systemd则是动态启动其他进程，当需要的时候才启动其他进程。另外systemd还动态挂载挂载点，访问到的时候才挂载。systemd在启动完所有守护进程之后，开始启动6个控制台终端，其中有命令行终端和图形窗口终端。可以用Alt+Fn进行切换。

Service unit：系统服务
Target unit：多个Unit构成的一个组
Device Unit：硬件设备
Mount Unit：文件系统的挂载点
Automount Unit：自动挂载点
Path Unit：文件或路径
Scope Unit：不是由Systemd启动的外部进程
Slice Unit：进程组
Snapshot Unit：Systemd快照，可以切回某个快照
Socket Unit：进程间通信的socket
Swap Unit：swap文件
Timer Unit：定时器