本文详细解析了Linux启动时init进程如何通过setup函数获取硬盘信息，加载根文件系统，并介绍内存中文件系统数据结构。重点讲解了硬盘参数的获取、分区信息设置以及文件系统格式的理解。
拿到硬盘信息
前面讲了进程 0 调用了 fork 函数创建了一个新的进程 —— 进程 1，并且使其达到了可以被调度的状态，fork 就算正式完成了自己的使命。
void main(void) {
...
move_to_user_mode();
if (!fork()) {
init();
}
for(;;) pause();
}
由于 fork 函数一调用，就又多出了一个进程，子进程（进程 1）会返回 0，父进程（进程 0）返回子进程的 ID，所以 init 函数只有进程 1 才会执行。本文就到了现在的第四部分，shell 程序的到来。而整个第四部分的故事，就是这个 init 函数做的事情。
虽然就一行代码，但这里的事情可多了去了，我们先看一下整体结构。我已经把单纯的日志打印和错误校验逻辑去掉了。
void init(void) {
int pid,i;
setup((void *) &drive_info);
(void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);
(void) dup(0);
(void) dup(0);
if (!(pid=fork())) {
open("/etc/rc",O_RDONLY,0);
execve("/bin/sh",argv_rc,envp_rc);
}
if (pid>0)
while (pid != wait(&i))
/* nothing */;
while (1) {
if (!pid=fork()) {
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;
sync();
}
_exit(0); /* NOTE! _exit, not exit() */
}
本节先讲第一行代码 setup 的一部分，硬盘信息的获取：
struct drive_info { char dummy[32]; } drive_info;
// drive_info = (*(struct drive_info *)0x90080);
void init(void) {
setup((void *) &drive_info);
...
}
先看入参。drive_info 是来自内存 0x90080 的数据，这部分是由系列之二中进入保护模式前的最后一次折腾内存 讲的 setup.s 程序将硬盘 1 的参数信息放在这里了，包括柱面数、磁头数、扇区数等信息。
setup 是个系统调用，会通过中断最终调用到 sys_setup 函数。关于系统调用的原理，在系列之九中 通过 fork 看一次系统调用 已经讲得很清楚了，此处不再赘述。
所以直接看 sys_setup 函数，我仍然是对代码做了少许的简化，去掉了日志打印和错误判断分支，并且仅当作只有一块硬盘，去掉了一层 for 循环。
int sys_setup(void * BIOS) {
hd_info[0].cyl = *(unsigned short *) BIOS;
hd_info[0].head = *(unsigned char *) (2+BIOS);
hd_info[0].wpcom = *(unsigned short *) (5+BIOS);
hd_info[0].ctl = *(unsigned char *) (8+BIOS);
hd_info[0].lzone = *(unsigned short *) (12+BIOS);
hd_info[0].sect = *(unsigned char *) (14+BIOS);
BIOS += 16;
hd[0].start_sect = 0;
hd[0].nr_sects =
hd_info[0].head * hd_info[0].sect * hd_info[0].cyl;
struct buffer_head *bh = bread(0x300, 0);
struct partition *p = 0x1BE + (void *)bh->b_data;
for (int i=1;i<5;i++,p++) {
hd[i].start_sect = p->start_sect;
hd[i].nr_sects = p->nr_sects;
}
brelse(bh);
rd_load();
mount_root();
return (0);
}
先看第一部分，硬盘基本信息的赋值的操作。
int sys_setup(void * BIOS) {
hd_info[0].cyl = *(unsigned short *) BIOS;
hd_info[0].head = *(unsigned char *) (2+BIOS);
hd_info[0].wpcom = *(unsigned short *) (5+BIOS);
hd_info[0].ctl = *(unsigned char *) (8+BIOS);
hd_info[0].lzone = *(unsigned short *) (12+BIOS);
hd_info[0].sect = *(unsigned char *) (14+BIOS);
BIOS += 16;
...
}
一开始先往 hd_info 数组的 0 索引处存上刚刚说的磁盘信息（包括柱面数、磁头数、扇区数等信息）。我们假设就只有一块硬盘，所以这个数组也只有一个元素。这个数组里的结构就是 hd_i_struct，就表示硬盘的参数。
struct hd_i_struct {
// 磁头数、每磁道扇区数、柱面数、写前预补偿柱面号、磁头着陆区柱面号、控制字节
int head,sect,cyl,wpcom,lzone,ctl;
};
struct hd_i_struct hd_info[] = {}；
最终效果：
看第二部分，硬盘分区表的设置:
static struct hd_struct {
long start_sect;
long nr_sects;
} hd[5] = {}
int sys_setup(void * BIOS) {
...
hd[0].start_sect = 0;
hd[0].nr_sects =
hd_info[0].head * hd_info[0].sect * hd_info[0].cyl;
struct buffer_head *bh = bread(0x300, 0);
struct partition *p = 0x1BE + (void *)bh->b_data;
for (int i=1;i<5;i++,p++) {
hd[i].start_sect = p->start_sect;
hd[i].nr_sects = p->nr_sects;
}
brelse(bh);
...
}
只看最终效果，就是给 hd 数组的五项附上了值:
这表示硬盘的分区信息，每个分区用 start_sect 和 nr_sects，也就是开始扇区和总扇区数来记录。
这些信息是从哪里获取的呢？就是在硬盘的第一个扇区的 0x1BE 偏移处，这里存储着该硬盘的分区信息，只要把这个地方的数据拿到就 OK 了。所以 bread 就是干这事的，从硬盘读取数据:
struct buffer_head *bh = bread(0x300, 0);
第一个参数 0x300 是第一块硬盘的主设备号，就表示要读取的块设备是硬盘一。第二个参数 0 表示读取第一个块，一个块为 1024 字节大小，也就是连续读取硬盘开始处 0 ~ 1024 字节的数据。
拿到这部分数据后，再取 0x1BE 偏移处，就得到了分区信息:
struct partition *p = 0x1BE + (void *)bh->b_data;
就这么点事：
至于如何从硬盘中读取指定位置（块）的数据，也就是 bread 函数的内部实现，那是相当复杂的，涉及到与缓冲区配合的部分，还有读写请求队列的设置，以及中断。
当然，这个函数就是经典的问题，从硬盘中读取数据的原理，但这些都不影响主流程，因为仅仅是把硬盘某位置的数据读到内存而已，先不去深入细节，细节部分将在第五部分展开说明。
OK，目前我们已经把硬盘的基本信息存入了 hd_info[]，把硬盘的分区信息存入了 hd[]，我们继续往下看:
int sys_setup(void * BIOS) {
...
rd_load();
mount_root();
return (0);
}
就剩两个函数了。其中 rd_load 是当有 ramdisk 时，也就是虚拟内存盘，才会执行。虚拟内存盘是通过软件将一部分内存（RAM）模拟为硬盘来使用的一种技术，一种小玩法而已，我们就先当做没有，否则很影响看主流程的心情。
mount_root 直译过来就是加载根，再多说几个字是加载根文件系统，有了它之后，操作系统才能从一个根开始找到所有存储在硬盘中的文件，所以它是文件系统的基石，很重要。
为了加载根文件系统，或者说所谓的加载根文件系统，就是把硬盘中的数据加载到内存里，以文件系统的数据格式来解读这些信息。所以：
-
需要硬盘本身就有文件系统的信息，硬盘不能是裸盘，这个不归操作系统管，你为了启动我的 Linux 0.11，必须拿来一块做好了文件系统的硬盘来。
-
需要读取硬盘的数据到内存，那就必须需要知道硬盘的参数信息，这就是我们本节所做的事情的意义。
加载根文件系统
上节已经把硬盘的基本信息存入了 hd_info[]，硬盘的分区信息存入了 hd[]，并且留了个读取硬盘数据的 bread 函数没有讲，等主流程讲完再展开这些函数的细节。这些都是 setup 方法里做的事情，也就是进程 0 fork 出的进程 1 所执行的第一个方法。本节我们说 setup 方法中的最后一个函数 mount_root
int sys_setup(void * BIOS) {
...
mount_root();
}
展开看看
void mount_root(void) {
int i,free;
struct super_block * p;
struct m_inode * mi;
for(i=0;i<64;i++)
file_table[i].f_count=0;
for(p = &super_block[0] ; p < &super_block[8] ; p++) {
p->s_dev = 0;
p->s_lock = 0;
p->s_wait = NULL;
}
p=read_super(0);
mi=iget(0,1);
mi->i_count += 3 ;
p->s_isup = p->s_imount = mi;
current->pwd = mi;
current->root = mi;
free=0;
i=p->s_nzones;
while (-- i >= 0)
if (!set_bit(i&8191,p->s_zmap[i>>13]->b_data))
free++;
free=0;
i=p->s_ninodes+1;
while (-- i >= 0)
if (!set_bit(i&8191,p->s_imap[i>>13]->b_data))
free++;
}
从整体上说，它就是要把硬盘中的数据，以文件系统的格式进行解读，加载到内存中设计好的数据结构，这样操作系统就可以通过内存中的数据，以文件系统的方式访问硬盘中的一个个文件了。
那其实搞清楚两个事情即可：
-
硬盘中的文件系统格式是怎样的？
-
内存中用于文件系统的数据结构有哪些？
硬盘中的文件系统格式
硬盘中的文件系统，无非就是硬盘中的一堆数据，我们按照一定格式去解析罢了。Linux-0.11 中的文件系统是 MINIX 文件系统，它就长成这个样子：
每一个块结构的大小是 1024 字节，也就是 1KB，硬盘里的数据就按照这个结构，妥善地安排在硬盘里。
可是硬盘中凭什么就有了这些信息呢？这就是个鸡生蛋蛋生鸡的问题了。你可以先写一个操作系统，然后给一个硬盘做某种文件系统类型的格式化，这样你就得到一个有文件系统的硬盘了，有了这个硬盘，你的操作系统就可以成功启动了。总之，想个办法给这个硬盘写上数据呗。
好了，现在我们简单看看 MINIX 文件系统的格式。
引导块就是我们系列最开头说的启动区，当然不一定所有的硬盘都有启动区，但我们还是得预留出这个位置，以保持格式的统一。
超级块用于描述整个文件系统的整体信息，我们看它的字段就知道了，有后面的 inode 数量，块数量，第一个块在哪里等信息。有了它，整个硬盘的布局就清晰了。
inode 位图和块位图，就是位图的基本操作和作用了，表示后面 inode 和块的使用情况，和我们之前讲的内存占用位图 mem_map[] 是类似的。
再往后，inode 存放着每个文件或目录的元信息和索引信息，元信息就是文件类型、文件大小、修改时间等，索引信息就是大小为 9 的 i_zone[9] 块数组，表示这个文件或目录的具体数据占用了哪些块。
其中块数组里，0~6 表示直接索引，7 表示一次间接索引，8 表示二次间接索引。当文件比较小时，比如只占用 2 个块就够了，那就只需要 zone[0] 和 zone[1] 两个直接索引即可。
再往后，就都是存放具体文件或目录实际信息的块了。如果是一个普通文件类型的 inode 指向的块，那里面就直接是文件的二进制信息。如果是一个目录类型的 inode 指向的块，那里面存放的就是这个目录下的文件和目录的 inode 索引以及文件或目录名称等信息。
好了，文件系统格式的说明，我们就简单说明完了，MINIX 文件系统已经过时，你可以阅读 图解 | 你管这叫文件系统？来全面了解一个 ext2 文件系统的来龙去脉，基本思想都是一样的。
内存中用于文件系统的数据结构
代码是如何加载以这样一种格式存放在硬盘里的数据，以被我们操作系统所管控的：
struct file {
unsigned short f_mode;
unsigned short f_flags;
unsigned short f_count;
struct m_inode * f_inode;
off_t f_pos;
};
void mount_root(void) {
for(i=0;i<64;i++)
file_table[i].f_count=0;
...
}
把 64 个 file_table 里的 f_count 清零。这个 file_table 表示进程所使用的文件，进程每使用一个文件，都需要记录在这里，包括文件类型、文件 inode 索引信息等，而这个 f_count 表示被引用的次数，此时还没有引用，所以设置为零。
而这个 file_table 的索引，就是我们通常说的文件描述符。比如有如下命令:
echo "hello" > 0
就表示把 hello 输出到 0 号文件描述符。0 号文件描述符是哪个文件呢？就是 file_table[0] 所表示的文件。
这个文件在哪里呢？注意到 file 结构里有个 f_inode 字段，通过 f_inode 即可找到它的 inode 信息，inode 信息包含了一个文件所需要的全部信息，包括文件的大小、文件的类型、文件所在的硬盘块号，这个所在硬盘块号，就是文件的位置咯。
接着看：
struct super_block super_block[8];
void mount_root(void) {
...
struct super_block * p;
for(p = &super_block[0] ; p < &super_block[8] ; p++) {
p->s_dev = 0;
p->s_lock = 0;
p->s_wait = NULL;
}
...
}
又是把一个数组 super_block 做清零工作。这个 super_block 存在的意义是，操作系统与一个设备以文件形式进行读写访问时，就需要把这个设备的超级块信息放在这里。
这样通过这个超级块，就可以掌控这个设备的文件系统全局了。果然，接下来的操作，就是读取硬盘的超级块信息到内存中来。
void mount_root(void) {
...
p=read_super(0);
...
}
read_super 就是读取硬盘中的超级块。
接下来，读取根 inode 信息:
struct m_inode * mi;
void mount_root(void) {
...
mi=iget(0,1);
...
}
然后把该 inode 设置为当前进程（也就是进程 1）的当前工作目录和根目录:
void mount_root(void) {
...
current->pwd = mi;
current->root = mi;
...
}
然后记录块位图信息:
void mount_root(void) {
...
i=p->s_nzones;
while (-- i >= 0)
set_bit(i&8191, p->s_zmap[i>>13]->b_data);
...
}
最后记录 inode 位图信息:
void mount_root(void) {
...
i=p->s_ninodes+1;
while (-- i >= 0)
set_bit(i&8191, p->s_imap[i>>13]->b_data);
}
就完事了。其实整体上就是把硬盘中文件系统的各个信息，搬到内存中。之前的图可以说非常直观了：
有了内存中的这些结构，我们就可以顺着根 inode，找到所有的文件了。
至此，加载根文件系统的 mount_root 函数就全部结束了。同时，让我们回到全局视野，发现 setup 函数也一并结束了:
void main(void) {
...
move_to_user_mode();
if (!fork()) {
init();
}
for(;;) pause();
}
void init(void) {
setup((void *) &drive_info);
...
}
int sys_setup(void * BIOS) {
...
mount_root();
}
setup 的主要工作就是我们今天所讲的，加载根文件系统。
我们继续往下看 init 函数:
void init(void) {
setup((void *) &drive_info);
(void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);
(void) dup(0);
(void) dup(0);
}
看到这相信你也明白了。之前 setup 函数的一番折腾，加载了根文件系统，顺着根 inode 可以找到所有文件，就是为了下一行 open 函数可以通过文件路径，从硬盘中把一个文件的信息方便地拿到。
在这里，我们 open 了一个 /dev/tty0 的文件，那我们接下来的焦点就在这个 /dev/tty0 是个啥？下一篇讲。
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