Linux电源管理(3)_关机和重启的过程

原文：Linux电源管理（3）_Generic PM之重新启动过程

1.前言

在使用计算机的过程中，关机和重启是最先学会的两个操作。同样，这两个操作在Linux中也存在，可以关机和重启。这就是这里要描述的对象。在Linux Kernel中，主流的关机和重新启动都是通过“ reboot”系统调用（具体可参考kernel / sys.c）来实现的。另外，除了我们常用的shutdown和restart两类操作之外，该系统调用也提供了其他的reboot方式，也会在这里一一说明。

2.内核支持的reboot方式

也许你会奇怪，reboot是重启的意思，所以用它实现Restart是合理的，但怎么用它实现关机操作呢？答案是这样的：关机之后，早晚也会开机啊！所以关机是一种特殊的重新启动过程，只不过持续的时间有点长而已。所以，内核根据不同的表现方式，将重新启动分成如下的几种方式：

   1： / *   2： * _reboot（）系统调用接受的命令。   3： *   4： *重新启动使用默认命令和模式重新启动系统。   5： * HALT停止OS，并将系统控制权交给ROM监视器（如果有）。   6： * CAD_ON Ctrl-Alt-Del序列导致RESTART命令。   7： * CAD_OFF Ctrl-Alt-Del序列将SIGINT发送到初始化任务。   8： * POWER_OFF如果可能，请停止OS并从系统中断开所有电源。   9： * RESTART2使用给定的命令字符串重新启动系统。  10： * SW_SUSPEND使用软件挂起的挂起系统（如果已编译）。  11： * KEXEC使用先前加载的Linux内核重新启动系统  12： * /  13：           14： #define LINUX_REBOOT_CMD_RESTART 0x01234567  15： #define LINUX_REBOOT_CMD_HALT 0xCDEF0123  16： #define LINUX_REBOOT_CMD_CAD_ON 0x89ABCDEF  17： #define LINUX_REBOOT_CMD_CAD_OFF 0x00000000  18： #define LINUX_REBOOT_CMD_POWER_OFF 0x4321FEDC  19： #define LINUX_REBOOT_CMD_RESTART2 0xA1B2C3D4  20： #define LINUX_REBOOT_CMD_SW_SUSPEND 0xD000FCE2  21： #define LINUX_REBOOT_CMD_KEXEC 0x4558454

操作类型

英文全称/别名

功能描述

备注

RESTART

Restart

正常重启系统，重新加载内核和用户空间。

用户最常用的重启方式，等同于

reboot

命令。

HALT

Halt

停止操作系统，将控制权交给其他代码（如 BIOS/UEFI 或监控程序）。

表现形式依赖具体硬件实现，可能完全断电或进入低功耗状态。

CAD_ON/CAD_OFF

Ctrl+Alt+Del On/Off

允许/禁止通过

Ctrl+Alt+Del

组合键触发重启（RESTART）。

需键盘驱动支持，默认行为由内核配置决定。

POWER_OFF

Power Off

正常关机，停止操作系统并切断电源（ACPI 状态

）。

等同于

poweroff

命令，需硬件支持完全断电。

RESTART2

Restart with Command

重启时携带自定义字符串（

cmd

），传递给关注重启事件的进程或机器相关代码。

用途由设备厂商自定义（如安卓的恢复模式）。

SW_SUSPEND

Software Suspend

挂起到内存（Suspend-to-RAM）或磁盘（Hibernate），进入低功耗状态。

依赖

CONFIG_SUSPEND

内核选项，详见后续休眠专题。

KEXEC

Kernel Execute

跳过 BIOS/UEFI，直接重启到预加载的其他内核镜像（需

CONFIG_KEXEC

支持）。

用于快速内核热替换或崩溃恢复（如

kexec -l

加载新内核）。

3.重新启动相关的操作流程

在Linux操作系统中，可以通过重新启动，停止，关闭电源等命令，启动重新启动，具体的操作流程如下：

一般的Linux操作系统，在用户空间都提供了一些工具集合（如常在嵌入式系统使用的Busybox），这些工具集合包含了重新引导，停止和关机三个和重新引导相关的命令。

用户空间程序通过reboot系统调用，进入内核空间，内核空间根据执行路径的不同，提供了kernel_restart，kernel_halt和kernel_power_off三个处理函数，响应用空间的reboot请求这三个处理函数的处理流程大致相同，主要包括：向有关重新引导过程的进程发送通知事件；调用驱动程序核心模块提供的接口，关闭所有的外部设备；调用驱动程序syscore模块提供的接口，关闭系统核心；调用架构相关的处理函数，进行后续的处理；最后，调用计算机相关的接口，实现真正意义上的重新启动另外，采用TTY模块提供的Sysreq机制，内核提供了其他途径的关机方法，如某些按键组合，向/ proc文件写入命令等

4.重新启动过程的内部动作和代码分析

4.1重启系统调用

重新启动系统调用的实现位于“ kernel / sys.c”，其函数原型如下：

   1： SYSCALL_DEFINE4（reboot，int，magic1，int，magic2，unsigned  int，cmd，   2：                 void __user *，arg）reboot，该系统调用的名称。magic1，magic2，两个int类型的“魔力数”，用于防止误操作。具体在“ include / uapi / linux / reboot.h”中定义，感兴趣的同学可以去看看（话说这些数字还是蛮有意思的，例如Linus同学及其家人的生日就在里面，猜出来的可以在文章下面留言）。cmd，第2章所描绘的reboot方式。arg，其他的额外参数。

reboot系统调用的内部动作比较简单：

1）确定调用者的用户权限，如果不是超级用户（superuser），则直接返回错误（这也是我们再用户空间执行reboot，halt，poweroff等命令时，必须是root用户的原因）；

2）判断预测的魔术数是否匹配，如果不匹配，直接返回错误。这样就可以进行的防止误动作发生；

3）调用reboot_pid_ns接口，检查是否需要由该接口处理reboot请求。

4）如果是POWER_OFF命令，且没有注册电源关闭的机器处理函数（pm_power_off），把该命令转换为HALT命令；

5）根据特定的cmd命令，执行具体的处理，包括，

如果是RESTART或RESTART2命令，调用kernel_restart。

如果是CAD_ON或CAD_OFF命令，更新C_A_D的值，则表示允许通过Ctrl + Alt + Del组合键重新启动系统。

如果是HALT命令，调用kernel_halt。

如果是POWER_OFF命令，调用kernel_power_off。

如果是KEXEC命令，调用kernel_kexec接口

如果是SW_SUSPEND，则调用hibernate接口

6）返回上述的处理结果，系统调用结束。

4.2 kernel_restart，kernel_halt和kernel_power_off

1）调用kernel_xxx_prepare函数，进行重新启动/停止/ power_off前的准备工作，包括，

调用blocking_notifier_call_chain接口，向关心reboot事件的进程，发送SYS_RESTART，SYS_HALT或SYS_POWER_OFF事件。并发送出去。

将系统状态设置为相应的状态（SYS_RESTART，SYS_HALT或SYS_POWER_OFF）。

调用usermodehelper_disable接口，禁止用户模式辅助

调用device_shutdown，关闭所有的设备

2）如果是power_off，并且存在PM相关的power off prepare函数（pm_power_off_prepare），则调用该调用函数；

3）调用migrate_to_reboot_cpu接口，将当前的进程（任务）移到一个CPU上；

注2：对于多CPU的机器，无论由哪个CPU触发了当前的系统调用，代码都可以运行在任意的CPU上。这个接口将代码分派到一个特定的CPU上，并禁止调度器分派代码到其他CPU上。首先，这个接口被执行后，只有一个CPU在运行，用于完成后续的重新启动动作。

4）调用syscore_shutdown接口，将系统核心器件关闭（例如中断等）；

5）调用printk以及kmsg_dump，向这个世界发出最后的声音（打印日志）；

6）最后，由machine-core的代码，接管后续的处理。

4.3 device_shutdown

设备模型中和device_shutdown有关的逻辑包括：

1.每个设备（结构设备）都会保存该设备的驱动（结构设备驱动程序）指针，以及该设备所在的总线（结构总线类型）的指针

2.设备驱动中有一个名称为“ shutdown”的某种函数，用于在device_shutdown时，关闭该设备

3.总线中也有一个名称为“ shutdown”的某种函数，用于在device_shutdown时，关闭该设备

4.系统的所有设备，都存在于“ / sys / devices /”目录下，而该目录由名称为“ devices_kset”的kset表示。kset中会使用一个链表保存其下所有的kobject（也即“ / sys / devices /”目录下的所有设备）。”的最终结果就是，以“ devices_kset”为根目录，将内核中所有的设备（以相应的kobject为代表），组织成一个树状结构

device_shutdown的实现，该接口位于“ drivers / base / core.c”中，执行逻辑如下。

   1： / **   2： * device_shutdown-在每个设备上调用-> shutdown（）以关闭。   3： * /   4： 无效device_shutdown（void）   5： {   6：         结构设备* dev，* parent;   7：            8：          spin_lock（＆devices_kset-> list_lock）;   9：         / *  10：          *向后移动设备列表，依次关闭每个设备。  11：          *请注意，设备拔出事件也可能会开始拉  12：          *设备离线，即使系统正在关闭。  13：          * /  14:         while (!list_empty(&devices_kset->list)) {  15:                 dev = list_entry(devices_kset->list.prev, struct device,  16:                                 kobj.entry);  17:   18:                 /*  19:                  * hold reference count of device's parent to  20:                  * prevent it from being freed because parent's  21:                  * lock is to be held  22:                  */  23:                 parent = get_device(dev->parent);  24:                 get_device(dev);  25:                 /*  26:                  * Make sure the device is off the kset list, in the  27:                  * event that dev->*->shutdown() doesn't remove it.  28:                  */  29:                 list_del_init(&dev->kobj.entry);  30:                 spin_unlock(&devices_kset->list_lock);  31:   32:                 /* hold lock to avoid race with probe/release */  33:                 if (parent)  34:                         device_lock(parent);  35:                 device_lock(dev);  36:   37:                 /* Don't allow any more runtime suspends */  38:                 pm_runtime_get_noresume(dev);  39:                 pm_runtime_barrier(dev);  40:   41:                 if (dev->bus && dev->bus->shutdown) {  42:                         if (initcall_debug)  43:                                 dev_info(dev, "shutdown\n");  44:                         dev->bus->shutdown(dev);  45:                 } else if (dev->driver && dev->driver->shutdown) {  46:                         if (initcall_debug)  47:                                 dev_info(dev, "shutdown\n");  48:                         dev->driver->shutdown(dev);  49：                  }  50：   51：                  device_unlock（dev）;  52：                 如果（父母）  53：                          device_unlock（parent）;  54：   55：                  put_device（dev）；  56：                  put_device（父）；  57：   58：                  spin_lock（＆devices_kset-> list_lock）;  59：          }  60：          spin_unlock（＆devices_kset-> list_lock）;  61：          async_synchronize_full（）;  62： }

4.4 system_core_shutdown

系统核心的关机和设备的关机类似，也是从一个链表中，遍历所有的系统核心，并调用它的关机接口。

4.5 machine_restart，machine_halt和machine_power_off

虽然以machine_为预先命名，这三个接口却是属于架构相关的处理函数，如ARM。以ARM为例，它们在“ arch / arm / kernel / process.c”中实现，具体如下。

4.5.1机器重启

   1： / *   2： *重新启动要求辅助CPU停止执行任何活动   3： *，同时主CPU重置系统。具有单个CPU的系统可以   4： *使用soft_restart（）作为其机器描述符的.restart钩子，因为   5： *将导致唯一可用的CPU复位。具有多个CPU的系统必须   6： *提供硬件重新启动实施，以确保所有CPU立即复位。   7： *这是必需的，以便在主CPU上复位后运行的任何代码   8： *不必与其他CPU协调以确保它们仍然不处于运行状态   9： *执行预重置代码，并使用主CPU的代码希望的RAM  10： *使用。实施这种协调基本上是不可能的。  11： * /  12： void machine_restart（char * cmd）  13： {  14：          smp_send_stop（）；  15：   16：          arm_pm_restart（reboot_mode，cmd）;  17：   18：         / *给失败的宽限期1s * /  19：          mdelay（1000）;  20：   21：         / *糟糕-平台无法重新启动。告诉用户！* /  22：          printk（“重新启动失败-系统停止\ n”）;  23：          local_irq_disable（）;  24：         而（1）;  25： }

0）先转述一下该接口的注释；

对于多CPU的机器而言，重新启动之前必须保证其他的CPU位于非活动状态，由其中一个主CPU负责重新启动动作。并且，必须实现一个基于硬件的重新启动操作，以保证所有CPU同步重启，这是设计的重点！

对于单CPU机器而言，就相对简单了，可以直接用软件reset的方式实现重启。

1）调用smp_send_stop接口，确保其他CPU位于非活动状态；

2）调用机器相关的重启接口，实现真正的重启。该接口是一个变量函数，由“ arch / arm / kernel / process.c”声明，由具体的机器代码实现。格式如下：

void（* arm_pm_restart ）（char str，const char * cmd）= null_restart;

EXPORT_SYMBOL_GPL（arm_pm_restart）;

3）等待1s；

4）如果没有返回，则重启成功，否则失败，打印错误信息。

4.5.2 machine_halt

ARM的halt很简单，就是将其他CPU停下来，并禁止当前CPU的中断后，死循环！确实，中断被禁止了，又死循环了，不halt才怪。代码如下：

   1： / *   2： *停止仅要求辅助CPU停止执行任何操作   3： *活动（执行任务，处理中断）。smp_send_stop（）   4： *实现此目标。   5： * /   6： void machine_halt（void）   7： {   8：          smp_send_stop（）；   9：   10：          local_irq_disable（）;  11：         而（1）  12： }

4.5.3 machine_power_off

power off动作和restart类似，即停止其他CPU，调用其他函数。power off的某些函数和restart类似，就不再说明了。

5.总结与思考

5.1建筑和机器的概念

本文是我们在分析Linux内核时第一次遇到架构和机器的概念，顺便解释一下。内核代码中最常见的目录结构就是：arch / xxx / mach-xxx /（例如arch / arm / mach-bcm /）。由该目录结构可知，架构（简称arch）是指具体的体系结构，如ARM，X86等。机器呢，是指具体体系结构下的一个或多个的SOC，如bcm等。