• Linux启动过程详解


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    Linux启动概图

    Linux启动详图

    1. 启动第一步--加载BIOS

    2. 启动第二步--读取MBR

    3. 启动第三步--Bootloader

    4. 启动第四步--加载内核

    5. 启动第五步--用户层init依据inittab文件来设定运行等级

    6. 启动第六步--init进程执行rc.sysinit

    7. 启动第七步--启动内核模块

    8. 启动第八步--执行不同级别的脚本程序

    9. 启动第九步--执行/etc/rc.d/rc.local

    10. 启动第十步--执行/bin/login程序,进入登录状态

    11. 番外篇  

     Linux启动概图

    Linux启动详图

    启动第一步--加载BIOS 

    当你打开计算机电源,计算机会首先加载BIOS信息,BIOS信息是如此的重要,以至于计算机必须在最开始就找到它。这是因为BIOS中包含了CPU的相关信息、设备启动顺序信息、硬盘信息、内存信息、时钟信息、PnP特性等等。在此之后,计算机心里就有谱了,知道应该去读取哪个硬件设备了。

    计算机在家电的那一刻几乎是毫无作用的,因为RAM芯片中包含的是随机数据,在开始启动时如下步骤

    • 一个特殊的应将电路在CPU的一个引脚上产生一个RESET逻辑值,然后会把一些寄存器(包括cs和eip)设置成固定的值
    • 然后执行在物理地址为0xFFFF FFF0处找到的代码,硬件把这个地址映射到某个只读、持久的存储芯片中,该芯片通常为ROM
    • 而ROM中存放的程序集在80x86体系统通常叫做BIOS

    启动第二步--读取MBR

    众所周知,硬盘上第0磁道第一个扇区被称为MBR,也就是Master Boot Record,即主引导记录,它的大小是512字节,别看地方不大,可里面却存放了预启动信息、分区表信息。
    系统找到BIOS所指定的硬盘的MBR后,就会将其复制到0×0000 7c00地址所在的物理内存中。其实被复制到物理内存的内容就是Boot Loader,而具体到你的电脑,那就是lilo或者grub了(GRUB原来就是Bootloader)。

    启动第三步--Bootloader

    在嵌入式系统中,启动第一步、第二步不存在的,直接从Bootloader开始运行

    Boot Loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序,我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统内核做好一切准备
    Boot Loader有若干种,其中Grub、Lilo和spfdisk是常见的Loader。
    我们以Grub为例来讲解吧,毕竟用lilo和spfdisk的人并不多。
    系统读取内存中的grub配置信息(一般为menu.lst或grub.lst),并依照此配置信息来启动不同的操作系统。

    • Bootloader从地址为0x0009 0200开始存入RAM中,而setup()函数链接在此处,然后跳转setup()开始执行,作用再次初始化硬件设备(BIOS已经初始化了)
    • setup()结束跳转到startup_32(),这里面会解压内核,也就是第四步中提到的,然后跳转到0x0010 0000处。
    • 执行第二个startup_32()函数,与前一个函数名相同,但是起始物理地址不同,函数结尾会跳转到start_kernel()处。
    • 执行start_kernel(),作用是完成Linux内核的初始化工作。,几乎每个内核部件都是由这个函数进行初始化的。

     

    启动第四步--加载内核

    根据grub设定的内核映像所在路径(Bootloader给出Image路径),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”。
    系统将解压后的内核放置在内存之中,并调用start_kernel()函数来启动一系列的初始化函数并初始化各种设备,完成Linux核心环境的建立。至此,Linux内核已经建立起来了,基于Linux的程序应该可以正常运行了。

    至此,Linux内核已经建立起来。


    启动第五步--用户层init依据inittab文件来设定运行等级

    内核被加载后,第一个运行的程序便是/sbin/init,该文件会读取/etc/inittab文件,并依据此文件来进行初始化工作。
    其实/etc/inittab文件最主要的作用就是设定Linux的运行等级,其设定形式是“:id:5:initdefault:”,这就表明Linux需要运行在等级5上。Linux的运行等级设定如下:
    0:关机
    1:单用户模式
    2:无网络支持的多用户模式
    3:有网络支持的多用户模式
    4:保留,未使用
    5:有网络支持有X-Window支持的多用户模式
    6:重新引导系统,即重启
    关于/etc/inittab文件的学问,其实还有很多

    启动第六步--init进程执行rc.sysinit

    在设定了运行等级后,Linux系统执行的第一个用户层文件就是/etc/rc.d/rc.sysinit脚本程序,它做的工作非常多,包括设定PATH、设定网络配置(/etc/sysconfig/network)、启动swap分区、设定/proc等等。如果你有兴趣,可以到/etc/rc.d中查看一下rc.sysinit文件,里面的脚本够你看几天的

    启动第七步--启动内核模块

    具体是依据/etc/modules.conf文件或/etc/modules.d目录下的文件来装载内核模块。

    启动第八步--执行不同运行级别的脚本程序

    根据运行级别的不同,系统会运行rc0.d到rc6.d中的相应的脚本程序,来完成相应的初始化工作和启动相应的服务。

    启动第九步--执行/etc/rc.d/rc.local

    你如果打开了此文件,里面有一句话,读过之后,你就会对此命令的作用一目了然:
    # This script will be executed *after* all the other init scripts.
    # You can put your own initialization stuff in here if you don’t
    # want to do the full Sys V style init stuff.
    rc.local就是在一切初始化工作后,Linux留给用户进行个性化的地方。你可以把你想设置和启动的东西放到这里。

    启动第十步--执行/bin/login程序,进入登录状态

    此时,系统已经进入到了等待用户输入username和password的时候了,你已经可以用自己的帐号登入系统了。:)
    ===
    漫长的启动过程结束了,一切都清静了…
    其实在这背后,还有着更加复杂的底层函数调用,等待着你去研究…本文就算抛砖引玉了:)


    番外话:

    1. uboot和grub都是Bootloader的一种,只不过uboot更多用于嵌入式系统,而grub更多用于PC

    2. MBR和Grub什么关系:MBR是硬盘上第一个扇区,大小为512Byte,其包括三部分:引导程序、分区表、分隔标识。那么为什么需要MBR呢,因为BIOS太小,功能有限。当BIOS开机自检后,就会将Grub load进入内存,也意味着引导程序被激活,分区表信息已经加载到内存,系统控制权由BIOS交到Grub。

    3. Grub是一个系统引导程序,其又分成两个阶段:第一阶段:保存在MBR中,用汇编编写,也就是MBR中的引导程序部分,功能包括:①基础硬件设备初始化(屏蔽所有中断、关闭处理器内部指令/数据cache等);②为加载Grub的另一部分Stage2准备空间;③如果从某个固态存储介质中,则拷贝Grub中Stage2到RAM空间中;④设置好堆栈;⑤跳转到Stage2的C程序入口点;第二阶段:通常由C语言编写,功能包括:①初始化本阶段使用到的硬件设备;②检测系统内存映射;③将kernel映像和根文件系统映像从Flash读到RAM中;④为内核设置启动参数;⑤调用内核。----------分隔符------------第二阶段通常保存在/boot/grub中,当我们启动系统进入Grub界面,会看到选择信息,如果我们编译了系统内核的话,我们可以选择从某个内核启动。同时注意Grub配置文件和内核在/boot分区。从前面分析可以看出,Grub第一阶段需要到MBR中读引导程序,第二阶段需要到/boot分区读系统内核和配置文件。

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