Linux启动过程

news2024/9/27 12:16:08

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两种启动方式

传统启动方式（LEGACY+MBR）

指传统BIOS启动方式，存在一些不足：比如最大只支持2TB磁盘，磁盘最多四个分区，且不支持图形操作

UEFI+GPT方式

是新式的启动方式，逐步取代传统启动方式

相对于Legacy+mbr, 优点在启动更快(不要开机自检)，最多可支持128个磁盘分区最大可支持18EB硬盘支持图形操作

整体过程

打开计算机电源，计算机首先从BIOS开始启动
BIOS对硬件进行检测，CPU从起始地址为0xFFF0处开始执行程序。BIOS自检的内容主要包括CPU、内存、硬盘等设备和即插即用设备。
按BIOS中的设置将硬盘的主引导扇区（第一个扇区）加载到0x7C00，接着启动硬盘上安装的引导程序LILO或GRUB来引导Linux。
Linux首先进行内核的引导，主要完成磁盘引导、机器状态数据读取、从实模式到保护模式的切换、数据段寄存器加载及中断描述符表设置等。
进行系统初始化，执行init程序。init程序调用rc.sysinit和rc等程序，而rc.sysinit和rc在完成系统初始化和运行服务后返回init。
启动mingetty，打开终端供用户登录系统。

这样就完成了从开机到登录的整个启动过程。

详细过程

BIOS

展示

主板上的BIOS芯片

作用

BIOS，Basic Input/Output System，基本输入输出系统。早期的 BIOS 存储在内存的 ROM 中，不会断电消失；现在大多存储在内存的闪存（Flash Memory）中。

CPU 加电后会首先执行 BIOS 程序，其中 POST（Power-On Self-Test）加电自检程序是执行的第一个例行程序，主要是对 CPU、内存等硬件设备进行检测和初始化。
BIOS 中断调用即 BIOS 中断服务程序，是计算机系统软、硬件之间的一个可编程接口。开机时，BIOS 会通知 CPU 各种硬件设备的中断号，并提供中断服务程序。软件可以通过调用 BIOS 中断对软盘驱动器、键盘及显示器等外围设备进行管理。
BIOS 会根据在 CMOS 中保存的配置信息来判断使用哪种设备启动操作系统，并将 CPU 移交给操作系统使用。

流程

在CPU加电之后，会把CPU所有寄存器的值设为默认值，除了CS寄存器的值改为0xFFFF，其他寄存器的值都为0，这样，根据CS 和 IP的值就可以找到指令的物理地址0xFFFF:0x0000，也就是0xFFFF0。
这时CPU就开始执行在这个位置开始执行，这里存放的一条无条件跳转指令JMP，跳转到BIOS的真正启动代码处。
BIOS首先先进行POST（Power－On Self Test，加电后自检）POST的主要检测系统中一些关键设备是否存在和能否正常工作，例如内存和显卡等设备；如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动中止。如果没有问题，屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。
BIOS 程序在执行一些必要的开机自检和初始化后，会将自己复制到从 0xA0000 开始的物理内存中并继续执行
然后，BIOS 开始搜寻可引导的存储设备(即根据用户指定的引导顺序从软盘、硬盘或是可移动设备)。如果找到，则将存储设备中的引导扇区读入物理内存 0x7C00 处，并跳转到 0x7C00 继续执行，从而将 CPU 交给引导扇区中的 Boot 程序

引导（Boot）程序

引导顺序

可以在BIOS配置引导设备，接下来以最常见的硬盘启动为例进行说明。

主引导扇区

硬盘被格式化之后被划分为固定容量（一般是512B）的数据块，每个数据块被称为一个扇区（sector）。

硬盘的第一个扇区被称为主引导扇区(0磁头0磁道1扇区，bootsector)，它在所有的系统分区之前不属于任何系统分区。主引导扇区由主引导记录（Master Boot Record，MBR）、磁盘分区表（Disk Partition Table，DPT）和引导记录标识（Boot Record ID）3个部分组成：

MBR占用主引导扇区的前446个字节（bootloader），存放系统主引导程序，负责从活动分区中装载并运行系统引导程序。
DPT占用64个字节，记录磁盘的基本分区信息。磁盘分区表分为4个分区项，每项16字节，分别记录每个主分区的信息，因此最多可以有4个主分区。其中只有一个活动分区（Active Partition）
Boot Record ID占用2个字节。对于合法的引导扇区，它等于0xAA55，这是判别引导扇区是否合法的标志

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流程

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BIOS此时去读取硬盘驱动器的第一个扇区(MBR，512字节)，然后执行里面的代码。实际上这里BIOS并不关心启动设备第一个扇区中是什么内容，它只是负责读取该扇区内容、并执行。至此，BIOS的任务就完成了，此后将系统启动的控制权移交到MBR部分的代码。
MBR代码从磁盘分区表找到活动分区，通过BIOS将活动分区的启动扇区读入内存，并跳转到启动扇区的起始位置。
硬盘的MBR装载分区引导扇区，分区引导扇区也称DBR，DBR是程序。
DBR装入内存后，即开始执行该引导程序段。

Boot loader

比较流行的引导加载程序（Boot loader）是LILO和Grub，Grub比LILO更好，所以只聊Grub。

GRUB（Grand Unified Boot Loader）拥有强大的交互式命令界面，支持网络引导。GRUB负责装入内核并引导Linux系统。此外，还可以引导其他操作系统，如FreeBSD、DOS和Windows系列。

GRUB包含两个阶段:Stage 1和Stage2。Stage1被安装到磁盘的MBR，它直接加载Stage2并执行跳转。Stage2主要功能是为了加载其他操作系统。Stage2首先把系统切换到保护模式，设置好C语言运行环境。系统执行时首先查找配置文件（如grub.conf和menu.lst）。如果没有，则执行一个Shell，并等待用户输入命令。当用户输入boot命令时，将控制权转移给操作系统。

加载内核（Kernel）

当Stage 2 bootloader已经被加载到内存中，文件系统被识别到，并且默认的内核镜像和initrd镜像被加载到内存中。

内核镜像已经准备好，并且控制权从Stage 2 bootloader传递过来，启动过程的Kernel阶段就可以开始了。内核镜像并非直接可以运行，而是一个被压缩过的，系统读取内存映像，并进行解压缩操作。此时，屏幕一般会输出“Uncompressing Linux”的提示。当解压缩内核完成后，屏幕输出“OK, booting the kernel”。

init

内核初始化的最后一步就是启动 pid 为 1 的 init 进程，这个进程是系统的第一个进程，它负责产生其他所有用户进程。

init 以守护进程方式存在，是所有其他进程的祖先。init 进程非常独特，能够完成其他进程无法完成的任务。
init系统能够定义、管理和控制 init 进程的行为。它负责组织和运行许多独立的或相关的始化工作(因此被称为 init 系统)，从而让计算机系统进入某种用户预订的运行模式。
仅仅将内核运行起来是毫无实际用途的，必须由 init 系统将系统代入可操作状态。比如启动外壳 shell 后，便有了人机交互，这样就可以让计算机执行一些预订程序完成有实际意义的任务。