Linux 关机重启流程分析

级别： 初级
范晓炬 (xiaoju_f@263.net), 联想(北京)有限公司软件设计中心嵌入式研发处开发工程师, 联想(北京)有限公司软件设计中心
2003 年 8 月 11 日
linux下的关机和重启流程对于一般的桌面应用和网络服务器来说并不重要，但是在用户自己定义的嵌入式系统内核中就有一定的研究意义，通过了解Linux 关机重启的流程，我们对它可以修改和自定义，甚至以此为基础开发出全新的功能来。
在linux下的关机和重启可能由两种行为引发，一是通过用户编程，一是系统自己产生的消息。用户和系统进行交互的方式也有两个，一个是系统调用：sys_reboot，另一个就是apm或则acpi的设备文件，通过对其操作也可以使系统关机或者重启。



这个系统调用定义了一系列的MAGIC_NUMBER，在调用的开始部分首先检查MAGIC_NUMBER是否正确，只有正确才继续向下运行。在重启的时候转向分支
case LINUX_REBOOT_CMD_RESTART:
首先使用notifier_call_chain向其它部分发出重启的消息，然后调用machine_restart函数完成重启。
machine_restart函数的开始部分有一段SMP相关的代码，主要完成多CPU时由一个CPU完成重启操作，其它CPU处于等待状态。之后系统根据一个变量reboot_thru_bios的内容判断重启方式，通过阅读reboot_setup我们可以得知，这个参数的内容是在系统启动时指定的，决定了是否利用bios，事实上是系统复位后的入口(FFFF：0000)地址的程序进行重启。在不通过bios进行重启的情况下，系统首先设定了重启标志，然后向端口0xfe写入数字0x64,这种重启的具体原理我还不大清楚，似乎是模拟了一次reset键的按下，希望大家和我讨论。在通过bios重启的情况下，系统同样先设定了重启模式，然后切换到了实模式，通过一条ljmp $0xffff,$0x0完成了重启。




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在系统调用的处理分支上，我们可以看到，首先同样是检查MAGIC_NUMBER，然后在
case LINUX_REBOOT_CMD_POWER_OFF:
的执行流程里面，又是使用notifier_call_chain发出了关闭计算机电源的消息，紧接着执行了machine_power_off函数。我们在machine_power_off函数中可以看到，如果pm_power_off这个函数指针不为空，那么系统就会通过调用这个函数进行关机。在apm已经加载的情况下(SMP除外)，实际上pm_power_off函数实际上指向了apm.c中的apm_power_off，在这个函数里系统通过apm_info结构里的值，使用切换到实模式关机，或者使用apm_bios_call_simple函数调用保护模式下的apm接口关机两种方法。




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apm使用其注册的设备的ioctl接口完成apm的操作，在apm.c的do_ioctl函数中可以看见处理的分支。这里只有suspend和standby的代码，所以我们不能通过ioctl这种方法使用apm关机。
当用户按下POWER开关的时候，如果有apm模块，那么关机流程是由apm来处理的。apm驱动在初始化的时候启动了一个apm内核线程：apm_mainloop，系统会在这里检测到POWEROFF按键消息并且将其命名为APM_SYS_SUSPEND，以区别apm -s设置的APM_USER_SUSPEND模式。紧接着进入了apm_event_handler函数，又从apm_event_handler函数进入了check_events函数，处理函数对应的case分支上。系统同样使用了suspend函数进行关机，不过由于其它参数的原因，suspend最后调用的是关机的流程。




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1)按POWER键时某些主板死机
经查只有某些特定的驱动装载之后才会出现这样的情况，并且当使用关机系统调用sys_reboot的时候没有这样的问题。分析apm的处理流程，怀疑是在关机前驱动程序没有正确处理apm发出的询问消息造成的。由于部分驱动程序没有源代码，决定hack掉apm.c的关机部分，让两种方式的关机走同样的流程。于是把apm.c的check_events函数中对APM_SYS_SUSPEND部分改写为如下代码：
ret = exec_usermodehelper(poweroff_helper_path, argv, envp); if (ret) { printk(KERN_ERR "apm.c: failed to exec %s , errno = %d\\n", poweroff_helper_path, errno); } break;
定义了一个用户态应用程序poweroff_helper_path，当POWEROFF键按下的时候系统运行这个kernel_helper程序。我们再写一个通过sys_reboot系统调用关机的程序，放在指定的位置下。死机的问题就解决了。
2)快速返回实模式重启
主要可以参考了process.c中的返回实模式的代码，比如我把real_mode_switch换成如下代码：
// For fast reboot support static unsigned char fast_reboot_switch [] = { 0x66, 0x0f, 0x20, 0xc0, /* movl %cr0,%eax */ 0x66, 0x25, 0x10, 0x11, 0x11, 0x11, /* andl $0x11111110,%eax */ 0x66, 0x0f, 0x22, 0xc0, /* movl %eax,%cr0 */ 0xea, 0x00, 0x00, 0x00, 0x70 /* ljmp $0x7000,$0x0000 */ };
系统就可以切换到实模式中，然后跳转到7000H:0位置开始执行。




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在2.4.20内核中ACPI模块被注明为试验和未完成，里面有一部分功能也许没有实现。如果APM和APCI两个模块同时编译进内核，APM在ACPI前被加载，APM起作用使ACPI退出。对于系统电量、电源实践一类的支持（主要是在笔记本上有用），靠的是acpid这个daemon程序。
没有一个功能类似apm的应用程序切换状态，acpi的程序仅仅完成了对acpi状态的查询。用户实现S0-S4的功能可以直接向/proc/acpi/sleep文件中写入数字来实现。通过读出(cat)其中的内容可以知道系统到底支持那些模式。
acpi模块的源代码主程序在linux/drivers/acpi/driver.c中，如果向sleep文件写东西，就转到了linux/drivers/acpi/ospm/system/sm_osl.c文件的sm_osl_proc_write_sleep函数中，这个函数后来调用了sm_osl_suspend函数。在这个函数里完成了各种功能，包括保护各种状态。最后真正的sleep是通过对acpi_enter_sleep_state的调用完成的，这个函数在linux/drivers/acpi/hardware/hwsleep.c文件中，这里写了acpi的寄存器使系统进入sleep状态。写寄存器的指令在这个目录下面的hwregs.c中。




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本文对acpi的介绍非常简略，实际上ACPI必定会成为将来linux内核中首选的电源管理方式。由于目前官方代码中ACPI版本较低，所以没有太详细的论述，希望将来的内核能有所改变。
linux-2.4.20源代码

 

范晓炬，联想(北京)有限公司软件设计中心嵌入式研发处开发工程师，研究兴趣为 Linux 内核，网络安全，XWindow 系统，Linux 桌面应用，人工智能系统。你可以通过xiaoju_f@263.net联系他。