Linux0.11内核剖析--初始化程序(init)

/*
 *  linux/init/main.c
 *
 *  (C) 1991  Linus Torvalds
 */

#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>
#include <time.h>

/*
 * 我们需要下面这些内嵌语句 - 从内核空间创建进程(forking)将导致没有写时复制（COPY ON WRITE） !!!
 * 直到一个执行 execve 调用。这对堆栈可能带来问题。处理的方法是在 fork()调用之后不让 main()使用
 * 任何堆栈。因此就不能有函数调用 - 这意味着 fork 也要使用内嵌的代码，否则我们在从 fork()退出
 * 时就要使用堆栈了。
 * 实际上只有 pause 和 fork 需要使用内嵌方式，以保证从 main() 中不会弄乱堆栈，但是我们同时还
 * 定义了其它一些函数。
 */
static inline _syscall0(int,fork)  // 是 unistd.h 中的内嵌宏代码。以嵌入汇编的形式调用
  // Linux 的系统调用中断 0x80。该中断是所有系统调用的
  // 入口。该条语句实际上是 int fork()创建进程系统调用
  // syscall0 名称中最后的 0 表示无参数，1 表示 1 个参数
static inline _syscall0(int,pause)  // int pause()系统调用：暂停进程的执行，直到收到一个信号
static inline _syscall1(int,setup,void *,BIOS)  // int setup(void * BIOS)系统调用，仅用于linux 初始化(仅在这个程序中被调用)
static inline _syscall0(int,sync)  // int sync() 系统调用：更新文件系统。

#include <linux/tty.h>  // tty 头文件，定义了有关 tty_io，串行通信方面的参数、常数。
#include <linux/sched.h>// 调度程序头文件，定义了任务结构 task_struct、第 1 个初始任务
  // 的数据。还有一些以宏的形式定义的有关描述符参数设置和获取的
  // 嵌入式汇编函数程序。

#include <linux/head.h>  // head 头文件，定义了段描述符的简单结构，和几个选择符常量。
#include <asm/system.h>  // 系统头文件。以宏的形式定义了许多有关设置或修改描述符/中断门等的嵌入式汇编子程序。
#include <asm/io.h>  // io 头文件。以宏的嵌入汇编程序形式定义对 io 端口操作的函数。
 
#include <stddef.h>  // 标准定义头文件。定义了 NULL, offsetof(TYPE, MEMBER)。
#include <stdarg.h>  // 标准参数头文件。以宏的形式定义变量参数列表。主要说明了-个
   // 类型(va_list)和三个宏(va_start, va_arg 和 va_end)，vsprintf、vprintf、vfprintf。
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>  // 文件控制头文件。用于文件及其描述符的操作控制常数符号的定义。
#include <sys/types.h>  // 类型头文件。定义了基本的系统数据类型。

#include <linux/fs.h>  // 文件系统头文件。定义文件表结构（ file,buffer_head, m_inode 等）。

static char printbuf[1024];  // 静态字符串数组。

extern int vsprintf();  // 送格式化输出到一字符串中（在 kernel/vsprintf.c，92 行）。
extern void init(void);   // 函数原形，初始化（在 168 行）。
extern void blk_dev_init(void);  // 块设备初始化子程序（ kernel/blk_drv/ll_rw_blk.c,157 行）
extern void chr_dev_init(void);  // 字符设备初始化（ kernel/chr_drv/tty_io.c, 347 行）
extern void hd_init(void);   // 硬盘初始化程序（ kernel/blk_drv/hd.c, 343 行）
extern void floppy_init(void);   // 软驱初始化程序（ kernel/blk_drv/floppy.c, 457 行）
extern void mem_init(long start, long end);  // 内存管理初始化（ mm/memory.c, 399 行）
extern long rd_init(long mem_start, int length);  //虚拟盘初始化(kernel/blk_drv/ramdisk.c,52)
extern long kernel_mktime(struct tm * tm);  // 建立内核时间（秒）。
extern long startup_time;  // 内核启动时间（开机时间）（秒）。

/*
 *  以下这些数据是由 setup.s 程序在引导时间设置的。
 */
#define EXT_MEM_K (*(unsigned short *)0x90002)
#define DRIVE_INFO (*(struct drive_info *)0x90080)
#define ORIG_ROOT_DEV (*(unsigned short *)0x901FC)

/*
 * 是啊，是啊，下面这段程序很差劲，但我不知道如何正确地实现，而且好象它还能运行。如果有
 * 关于实时时钟更多的资料，那我很感兴趣。这些都是试探出来的，以及看了一些 bios 程序，呵！
 */

#define CMOS_READ(addr) ({ \     // 这段宏读取 CMOS 实时时钟信息。
outb_p(0x80|addr,0x70); \      // 0x70 是写端口号， 0x80|addr 是要读取的 CMOS 内存地址。
inb_p(0x71); \          // 0x71 是读端口号。
})

#define BCD_TO_BIN(val) ((val)=((val)&15) + ((val)>>4)*10)  // 将 BCD 码转换成数字。

static void time_init(void)  // 该子程序取 CMOS 时钟，并设置开机时间Æstartup_time(秒)。
{
    struct tm time;

    do {
        time.tm_sec = CMOS_READ(0);  // 参见后面 CMOS 内存列表。
        time.tm_min = CMOS_READ(2);
        time.tm_hour = CMOS_READ(4);
        time.tm_mday = CMOS_READ(7);
        time.tm_mon = CMOS_READ(8);
        time.tm_year = CMOS_READ(9);
    } while (time.tm_sec != CMOS_READ(0));
    BCD_TO_BIN(time.tm_sec);
    BCD_TO_BIN(time.tm_min);
    BCD_TO_BIN(time.tm_hour);
    BCD_TO_BIN(time.tm_mday);
    BCD_TO_BIN(time.tm_mon);
    BCD_TO_BIN(time.tm_year);
    time.tm_mon--;
    startup_time = kernel_mktime(&time);
}

static long memory_end = 0;  // 机器具有的内存（字节数）。
static long buffer_memory_end = 0;  // 高速缓冲区末端地址。
static long main_memory_start = 0;  // 主内存（将用于分页）开始的位置。

struct drive_info { char dummy[32]; } drive_info;  // 用于存放硬盘参数表信息。

void main(void)        /* 这里确实是 void，并没错。*/
{            /* 在 startup 程序(head.s) 中就是这样假设的。*/
/*
 * 此时中断仍被禁止着，做完必要的设置后就将其开启。
 */
 // 下面这段代码用于保存：
 // 根设备号 -> ROOT_DEV； 高速缓存末端地址 -> buffer_memory_end；
 // 机器内存数 -> memory_end；主内存开始地址 -> main_memory_start；
     ROOT_DEV = ORIG_ROOT_DEV;
     drive_info = DRIVE_INFO;
    memory_end = (1<<20) + (EXT_MEM_K<<10);  // 内存大小=1Mb 字节+扩展内存(k)*1024 字节。
    memory_end &= 0xfffff000;        // 忽略不到 4Kb（1 页）的内存数。
    if (memory_end > 16*1024*1024)        // 如果内存超过 16Mb，则按 16Mb 计。
        memory_end = 16*1024*1024;
    if (memory_end > 12*1024*1024)         // 如果内存>12Mb，则设置缓冲区末端=4Mb
        buffer_memory_end = 4*1024*1024;
    else if (memory_end > 6*1024*1024)    // 否则如果内存>6Mb，则设置缓冲区末端=2Mb
        buffer_memory_end = 2*1024*1024;
    else
        buffer_memory_end = 1*1024*1024;
    main_memory_start = buffer_memory_end;
#ifdef RAMDISK
    main_memory_start += rd_init(main_memory_start, RAMDISK*1024);
#endif
    mem_init(main_memory_start,memory_end);
    trap_init();    // 陷阱门（硬件中断向量）初始化。（kernel/traps.c，181 行）
    blk_dev_init();    // 块设备初始化。  （kernel/blk_dev/ll_rw_blk.c，157 行）
    chr_dev_init();  // 字符设备初始化。  （kernel/chr_dev/tty_io.c，347 行）
    tty_init();    // tty 初始化。 （kernel/chr_dev/tty_io.c，105 行）
    time_init();  // 设置开机启动时间->startup_time（见 76 行）。
    sched_init();    // 调度程序初始化(加载了任务 0 的 tr, ldtr) （kernel/sched.c，385）
    buffer_init(buffer_memory_end);        // 缓冲管理初始化，建内 存链表等。（fs/buffer.c，348）
    hd_init();    // 硬盘初始化。 （ kernel/blk_dev/hd.c，343 行）
    floppy_init();    // 软驱初始化。 （ kernel/blk_dev/floppy.c，457 行）
    sti();        // 所有初始化工作都做完了，开启中断。
             // 下面过程通过在堆栈中设置的参数，利用中断返回指令切换到任务 0。
    move_to_user_mode();  // 移到用户模式。 （ include/asm/system.h，第 1 行）
    if (!fork()) {        /* we count on this going ok */
        init();
    }
/* 注意!! 对于任何其它的任务，‘pause()‘将意味着我们必须等待收到一个信号才会返
 * 回就绪运行态，但任务 0（task0）是唯一的意外情况（参见‘schedule()‘），因为任务 0 在
 * 任何空闲时间里都会被激活（当没有其它任务在运行时），因此对于任务 0‘pause()‘仅意味着
 * 我们返回来查看是否有其它任务可以运行，如果没有的话我们就回到这里，一直循环执行‘pause()‘。
 */
    for(;;) pause();
}

static int printf(const char *fmt, ...)
{
 // 产生格式化信息并输出到标准输出 设备 stdout(1) ，这里是指屏幕上显示。参数‘*fmt‘指定输出将
 // 采用的格式，参见各种标准 C 语言书籍。该子程序正好是 vsprintf 如何使用的一个例子。
 // 该程序使用 vsprintf() 将格式化的字符串放入 printbuf 缓冲区，然后用 write()将缓冲区的内容
 // 输出到标准设备（1--stdout）。
    va_list args;
    int i;

    va_start(args, fmt);
    write(1,printbuf,i=vsprintf(printbuf, fmt, args));
    va_end(args);
    return i;
}
  
static char * argv_rc[] = { "/bin/sh", NULL };  // 调用执行程序时参数的字符串数组。
static char * envp_rc[] = { "HOME=/", NULL };   // 调用执行程序时的环境字符串数组。

static char * argv[] = { "-/bin/sh",NULL };    // 同上。
static char * envp[] = { "HOME=/usr/root", NULL };

void init(void)
{
    int pid,i;
    
// 读取硬盘参数包括分区表信息并建立虚拟盘和安装根文件系统设备。
// 该函数是在 25 行上的宏定义的，对应函数是 sys_setup()，在 kernel/blk_drv/hd.c,71 行。
    setup((void *) &drive_info);
    (void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);   // 用读写访问方式打开设备“ /dev/tty0”，这里对应终端控制台。
                           // 返回的句柄号 0 -- stdin 标准输入设备。
    (void) dup(0);  // 复制句柄，产生句柄 1 号 -- stdout 标准输出设备。
    (void) dup(0);  // 复制句柄，产生句柄 2 号 -- stderr 标准出错输出设备。
    printf("%d buffers = %d bytes buffer space\n\r",NR_BUFFERS,
        NR_BUFFERS*BLOCK_SIZE);        // 打印缓冲区块数和总字节数，每块 1024 字节。
    printf("Free mem: %d bytes\n\r",memory_end-main_memory_start);    //空闲内存字节数。
    
 // 下面 fork() 用于创建一个子进程(子任务)。对于被创建的子进程，fork() 将返回 0 值，
 // 对于原(父进程)将返回子进程的进程号。所以 180-184 句是子进程执行的内容。该子进程
 // 关闭了句柄 0(stdin)，以只读方式打开/etc/rc 文件，并执行/bin/sh 程序，所带参数和
 // 环境变量分别由 argv_rc 和 envp_rc 数组给出。参见后面的描述。
    if (!(pid=fork())) {
        close(0);
        if (open("/etc/rc",O_RDONLY,0))
            _exit(1);    // 如果打开文件失败， 则退出(/lib/_exit.c,10)。
        execve("/bin/sh",argv_rc,envp_rc);    // 装入/bin/sh 程序并执行。
        _exit(2);    // 若 execve()执行失败则退出(出错码 2,“文件或目录不存在”)。
    }

 // 下面是父进程执行的语句。wait()是等待子进程停止或终止，其返回值应是子进程的进程号(pid)。
 // 这三句的作用是父进程等待子进程的结束。&i 是存放返回状态信息的位置。如果 wait()返回值不
 // 等于子进程号，则继续等待。
    if (pid>0)
        while (pid != wait(&i))
            /* nothing */;

 // 如果执行到这里，说明刚创建的子进程的执行已停止或终止了。下面循环中首先再创建一个子进程，
 // 如果出错，则显示“初始化程序创建子进程失败”的信息并继续执行。对于所创建的子进程关闭所有
 // 以前还遗留的句柄(stdin, stdout, stderr)，新创建一个会话并设置进程组号，然后重新打开
 // /dev/tty0 作为 stdin，并复制成 stdout 和 stderr。再次执行系统解释程序/bin/sh。但这次执行所
 // 选用的参数和环境数组另选了一套（见上面 165-167 行）。然后父进程再次运行 wait()等待。如果
 // 子进程又停止了执行，则在标准输出上显示出错信息“子进程 pid 停止了运行，返回码是 i”，然后
 // 继续重试下去…，形成“大”死循环。
    while (1) {
        if ((pid=fork())<0) {
            printf("Fork failed in init\r\n");
            continue;
        }
        if (!pid) {
            close(0);close(1);close(2);
            setsid();
            (void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);
            (void) dup(0);
            (void) dup(0);
            _exit(execve("/bin/sh",argv,envp));
        }
        while (1)
            if (pid == wait(&i))
                break;
        printf("\n\rchild %d died with code %04x\n\r",pid,i);
        sync();
    }
    _exit(0);    /* NOTE! _exit, not exit() */
}