本文轉載自：http://www.wowotech.net/pm_subsystem/reboot.html
1. 前言
在使用計算機的過程中，關機和重啟是最先學會的兩個操作。同樣，這兩個操作在Linux中也存在，稱作shutdown和restart。這就是本文要描述的對象。
在Linux Kernel中，主流的shutdown和restart都是通過“reboot”系統調用（具體可參考kernel/sys.c）來實現的，這也是本文使用“Generic PM之Reboot過程”作為標題的原因。另外，除了我們常用的shutdown和restart兩類操作之外，該系統調用也提供了其它的reboot方式，也會在這里一一說明。
2. Kernel支持的reboot方式
也許你會奇怪，reboot是重啟的意思，所以用它實現Restart是合理的，但怎么用它實現關機操作呢？答案是這樣的：關機之后，早晚也會開機啊！所以關機是一種特殊的Restart過程，只不過持續的時間有點長而已。所以，內核根據不同的表現方式，將reboot分為如下的幾種方式：
/* 2: * Commands accepted by the _reboot() system call. 3: * 4: * RESTART Restart system using default command and mode. 5: * HALT Stop OS and give system control to ROM monitor, if any. 6: * CAD_ON Ctrl-Alt-Del sequence causes RESTART command. 7: * CAD_OFF Ctrl-Alt-Del sequence sends SIGINT to init task. 8: * POWER_OFF Stop OS and remove all power from system, if possible. 9: * RESTART2 Restart system using given command string. 10: * SW_SUSPEND Suspend system using software suspend if compiled in. 11: * KEXEC Restart system using a previously loaded Linux kernel 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
RESTART，正常的重啟，也是我們平時使用的重啟。執行該動作后，系統會重新啟動。
HALT，停止操作系統，然后把控制權交給其它代碼（如果有的話）。具體的表現形式，依賴於系統的具體實現。
CAD_ON/CAD_OFF，允許/禁止通過Ctrl-Alt-Del組合按鍵觸發重啟（RESTART）動作。
注1：Ctrl-Alt-Del組合按鍵的響應是由具體的Driver（如Keypad）實現的。
POWER_OFF，正常的關機。執行該動作后，系統會停止操作系統，並去除所有的供電。
RESTART2，重啟的另一種方式。可以在重啟時，攜帶一個字符串類型的cmd，該cmd會在重啟前，發送給任意一個關心重啟事件的進程，同時會傳遞給最終執行重啟動作的machine相關的代碼。內核並沒有規定該cmd的形式，完全由具體的machine自行定義。
SW_SUSPEND，即前一篇文章中描述的Hibernate操作，會在下一篇文章描述，這里就暫不涉及。
KEXEC，重啟並執行已經加載好的其它Kernel Image（需要CONFIG_KEXEC的支持），暫不涉及。
3. Reboot相關的操作流程
在Linux操作系統中，可以通過reboot、halt、poweroff等命令，發起reboot，具體的操作流程如下：
一般的Linux操作系統，在用戶空間都提供了一些工具集合（如常在嵌入式系統使用的Busybox），這些工具集合包含了reboot、halt和poweroff三個和Reboot相關的命令。讀者可以參考man幫助文檔，了解這些命令的解釋和使用說明
用戶空間程序通過reboot系統調用，進入內核空間
內核空間根據執行路徑的不同，提供了kernel_restart、kernel_halt和kernel_power_off三個處理函數，響應用空間的reboot請求
這三個處理函數的處理流程大致相同，主要包括：向關心reboot過程的進程發送Notify事件；調用drivers核心模塊提供的接口，關閉所有的外部設備；調用drivers syscore模塊提供的接口，關閉system core；
調用Architecture相關的處理函數，進行后續的處理；最后，調用machine相關的接口，實現真正意義上的Reboot
另外，借助TTY模塊提供的Sysreq機制，內核提供了其它途徑的關機方法，如某些按鍵組合、向/proc文件寫入命令等，后面會詳細介紹
4. Reboot過程的內部動作和代碼分析
4.1 Reboot系統調用
Reboot系統調用的實現位於“kernel/sys.c”，其函數原型如下：
1: SYSCALL_DEFINE4(reboot, int, magic1, int, magic2, unsigned int, cmd, 2: void __user *, arg)
該函數的參數解釋如下：
reboot，該系統調用的名稱。 magic1、magic2，兩個int類型的“魔力數”，用於防止誤操作。具體在“include/uapi/linux/reboot.h”中定義，感興趣的同學可以去看看（話說這些數字還是蠻有意思的，例如Linus同學及其家人的生日就在里面，猜出來的可以在文章下面留言）。 cmd，第2章所講述的reboot方式。 arg，其它的額外參數。
reboot系統調用的內部動作比較簡單：
1）判斷調用者的用戶權限，如果不是超級用戶（superuser），則直接返回錯誤（這也是我們再用戶空間執行reboot、halt、poweroff等命令時，必須是root用戶的原因）； 2）判斷傳入的magic number是否匹配，如果不匹配，直接返回錯誤。這樣就可以盡可能的防止誤動作發生； 3）調用reboot_pid_ns接口，檢查是否需要由該接口處理reboot請求。這是一個有關pid namespaces的新特性，也是Linux內核重要的知識點，我們會在其它文章中描述，這里就不多說了； 4）如果是POWER_OFF命令，且沒有注冊power off的machine處理函數（pm_power_off），把該命令轉換為HALT命令； 5）根據具體的cmd命令，執行具體的處理，包括， 如果是RESTART或者RESTART2命令，調用kernel_restart。 如果是CAD_ON或CAD_OFF命令，更新C_A_D的值，表示是否允許通過Ctrl+Alt+Del組合鍵重啟系統。 如果是HALT命令，調用kernel_halt。 如果是POWER_OFF命令，調用kernel_power_off。 如果是KEXEC命令，調用kernel_kexec接口（暫不在本文涉及）。 如果是SW_SUSPEND，調用hibernate接口（會在下一章描述）； 6）返回上述的處理結果，系統調用結束。
4.2 kernel_restart、kernel_halt和kernel_power_off
這三個接口也位於“kernel/sys.c”，實現比較類似，具體動作包括：
1）調用kernel_xxx_prepare函數，進行restart/halt/power_off前的准備工作，包括， 調用blocking_notifier_call_chain接口，向關心reboot事件的進程，發送SYS_RESTART、SYS_HALT或者SYS_POWER_OFF事件。對RESTART來說，還好將cmd參數一並發送出去。 將系統狀態設置為相應的狀態（SYS_RESTART、SYS_HALT或SYS_POWER_OFF）。 調用usermodehelper_disable接口，禁止User mode helper（可參考“Linux設備模型(3)_Uevent”相關的描述）。 調用device_shutdown，關閉所有的設備（具體內容會在下一節講述）； 2）如果是power_off，且存在PM相關的power off prepare函數（pm_power_off_prepare），則調用該回調函數； 3）調用migrate_to_reboot_cpu接口，將當前的進程（task）移到一個CPU上； 注2：對於多CPU的機器，無論哪個CPU觸發了當前的系統調用，代碼都可以運行在任意的CPU上。這個接口將代碼分派到一個特定的CPU上，並禁止調度器分派代碼到其它CPU上。也就是說，這個接口被執行后，只有一個CPU在運行，用於完成后續的reboot動作。 4）調用syscore_shutdown接口，將系統核心器件關閉（例如中斷等）； 5）調用printk以及kmsg_dump，向這個世界發出最后的聲音（打印日志）； 6）最后，由machine-core的代碼，接管后續的處理。
4.3 device_shutdown
在理解device_shutdown之前，我們需要回憶一下前幾篇有關Linux設備模型的文章。同時，借助對電源管理的解析，我們會把在Linux設備模型系列文章中沒有描述的部分補回來。設備模型中和device_shutdown有關的邏輯包括：
每個設備（struct device）都會保存該設備的驅動（struct device_driver）指針，以及該設備所在總線（struct bus_type）的指針（具體參考“Linux設備模型(5)_device和device driver”） 設備驅動中有一個名稱為“shutdown”的回調函數，用於在device_shutdown時，關閉該設備（具體參考“Linux設備模型(5)_device和device driver”） 總線中也有一個名稱為“shutdown”的回調函數，用於在device_shutdown時，關閉該設備（具體參考“Linux設備模型(6)_Bus”） 系統的所有設備，都存在於“/sys/devices/”目錄下，而該目錄由名稱為“devices_kset”的kset表示。而由“Linux設備模型(2)_Kobject”的描述可知，kset中會使用一個鏈表保存其下所有的kobject（也即“/sys/devices/”目錄下的所有設備）。
最終的結果就是，以“devices_kset”為root節點，將內核中所有的設備（以相應的kobject為代表），組織成一個樹狀結構
介紹完以上的背景知識，我們來看device_shutdown的實現，就非常容易了。該接口位於“drivers/base/core.c”中，執行邏輯如下。
/** 2: * device_shutdown - call ->shutdown() on each device to shutdown. 3: */ 4: void device_shutdown(void) 5: { 6: struct device *dev, *parent; 7: 8: spin_lock(&devices_kset->list_lock); 9: /* 10: * Walk the devices list backward, shutting down each in turn. 11: * Beware that device unplug events may also start pulling 12: * devices offline, even as the system is shutting down. 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: if (parent) 53: device_unlock(parent); 54: 55: put_device(dev); 56: put_device(parent); 57: 58: spin_lock(&devices_kset->list_lock); 59: } 60: spin_unlock(&devices_kset->list_lock); 61: async_synchronize_full(); 62: }
1）遍歷devices_kset的鏈表，取出所有的設備（struct device）；
2）將該設備從鏈表中刪除；
3）調用pm_runtime_get_noresume和pm_runtime_barrier接口，停止所有的Runtime相關的電源管理動作（后續的文章會詳細描述有關Runtime PM的邏輯）；
4）如果該設備的bus提供了shutdown函數，優先調用bus的shutdown，關閉設備；
5）如果bus沒有提供shutdown函數，檢測設備driver是否提供，如果提供，調用設備driver的shutdown，關閉設備；
6）直至處理完畢所有的設備。
4.4 system_core_shutdown
system core的shutdown和設備的shutdown類似，也是從一個鏈表中，遍歷所有的system core，並調用它的shutdown接口。后續蝸蝸會專門寫一篇文章介紹syscore，這里暫不描述。
4.5 machine_restart、machine_halt和machine_power_off
雖然以machine_為前綴命名，這三個接口卻是屬於Architecture相關的處理函數，如ARM。以ARM為例，它們在“arch/arm/kernel/process.c”中實現，具體如下。
4.5.1 machine_restart
1: /* 2: * Restart requires that the secondary CPUs stop performing any activity 3: * while the primary CPU resets the system. Systems with a single CPU can 4: * use soft_restart() as their machine descriptor's .restart hook, since that 5: * will cause the only available CPU to reset. Systems with multiple CPUs must 6: * provide a HW restart implementation, to ensure that all CPUs reset at once. 7: * This is required so that any code running after reset on the primary CPU 8: * doesn't have to co-ordinate with other CPUs to ensure they aren't still 9: * executing pre-reset code, and using RAM that the primary CPU's code wishes 10: * to use. Implementing such co-ordination would be essentially impossible. 11: */ 12: void machine_restart(char *cmd) 13: { 14: smp_send_stop(); 15: 16: arm_pm_restart(reboot_mode, cmd); 17: 18: /* Give a grace period for failure to restart of 1s */ 19: mdelay(1000); 20: 21: /* Whoops - the platform was unable to reboot. Tell the user! */ 22: printk("Reboot failed -- System halted\n"); 23: local_irq_disable(); 24: while (1); 25: }
0）先轉述一下該接口的注釋；
對於多CPU的機器來說，Restart之前必須保證其它的CPU處於非活動狀態，由其中的一個主CPU負責Restart動作。並且，必須實現一個基於硬件的Restart操作，以保證所有CPU同步Restart，這是設計的重點！
對於單CPU機器來說，就相對簡單了，可以直接用軟件reset的方式實現Restart。
1）調用smp_send_stop接口，確保其它CPU處於非活動狀態；
2）調用machine-dependent的restart接口，實現真正的restart。該接口是一個回調函數，由“arch/arm/kernel/process.c”聲明，由具體的machine代碼實現。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）如果沒有返回，則restart成功，否則失敗，打印錯誤信息。
4.5.2 machine_halt
ARM的halt很簡單，就是將其它CPU停下來，並禁止當前CPU的中斷后，死循環！確實，中斷被禁止了，又死循環了，不halt才怪。代碼如下：
1: /* 2: * Halting simply requires that the secondary CPUs stop performing any 3: * activity (executing tasks, handling interrupts). smp_send_stop() 4: * achieves this. 5: */ 6: void machine_halt(void) 7: { 8: smp_send_stop(); 9: 10: local_irq_disable(); 11: while (1); 12: }
4.5.3 machine_power_off
power off動作和restart類似，即停止其它CPU，調用回調函數。power off的回調函數和restart類似，就不再說明了。
5. 總結與思考
5.1 Architecture和Machine的概念
本文是我們在分析Linux內核時第一次遇到Architecture和Machine的概念，順便解釋一下。內核代碼中最常見的目錄結構就是：arch/xxx/mach-xxx/（例如arch/arm/mach-bcm/）。由該目錄結構可知，Architecture（簡稱arch）是指具體的體系結構，如ARM、X86等等。Machine呢，是指具體體系結構下的一個或一系列的SOC，如bcm等。
5.2 電源管理驅動（和reboot有關的部分）需要實現內容
由上面的分析可知，在Reboot的過程中，大部分的邏輯是否內核處理的，具體的driver需要關注2點即可：
1）實現各自的shutdown接口，以正確關閉對應的設備
2）實現machine-dependent的接口，以確保底層的Machine可以正確restart或者power off
看來還是很簡單的。