Linux操作系统启动过程详解

《Linux操作系统启动过程详解》要点：
本文介绍了Linux操作系统启动过程详解，希望对您有用。如果有疑问，可以联系我们。

如果你对Linux操作系统有一定的了解,想对其更深层次的东西做进一步探究.这当中就包括系统的启动流程、文件系统的组成结构、基于动态库和静态库的程序在执行时的异同、协议栈的架构和原理、驱动程序的机制等等.

其中Linux操作系统启动过程肯定是大家最有兴趣了解的,这里在综合了现有网上大家智慧的基础上,基于2.6.32的内核的CentOS 6.0系统,对Linux的启动流程做了些分析,希望对大家有所帮助.

OK,我们言归正传.对于一台安装了Linux系统的主机来说,当用户按下开机按钮时,一共要经历以下几个过程,如图：

其中,每个过程都执行了自己该做的初始化部分的事情,有些过程又可分为好几个子过程.接下来,我们就对每个阶段做一个详细分析和讲解.

一、BIOS自检

稍有计算机基础的人都应该听过BIOS(Basic Input / Output System),又称基本输入输出系统,可以视为是一个永久地记录在ROM中的一个软件,是操作系统输入输出管理系统的一部分.早期的BIOS芯片确实是”只读”的,里面的内容是用一种烧录器写入的,一旦写入就不能更改,除非更换芯片.现在的主机板都使用一种叫Flash EPROM的芯片来存储系统BIOS,里面的内容可通过使用主板厂商提供的擦写程序擦除后重新写入,这样就给用户升级BIOS提供了极大的方便.

BIOS的功能由两部分组成,分别是POST码和Runtime服务.POST阶段完成后它将从存储器中被清除,而Runtime服务会被一直保留,用于目标操作系统的启动.BIOS两个阶段所做的详细工作如下：

步骤1：上电自检POST(Power-on self test),主要负责检测系统外围关键设备(如：CPU、内存、显卡、I/O、键盘鼠标等)是否正常.例如,最常见的是内存松动的情况,BIOS自检阶段会报错,系统就无法启动起来；

步骤2：步骤1成功后,便会执行一段小程序用来枚举本地设备并对其初始化.这一步主要是根据我们在BIOS中设置的系统启动顺序来搜索用于启动系统的驱动器,如硬盘、光盘、U盘、软盘和网络等.我们以硬盘启动为例,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.

PS: 在个人电脑中,Linux的启动是从0xFFFF0地址开始的.

二、 系统引导

我们首先来了解一下MBR,它是Master Boot Record的缩写.硬盘的0柱面、0磁头、1扇区称为主引导扇区.它由三个部分组成,主引导程序(Bootloader)、 硬盘分区表DPT(Disk Partition table)和硬盘有效标志(55AA),其结构图如下所示：

磁盘分区表包含以下三部分：

1. Partition ID (5：延申 82：Swap 83：Linux 8e：LVM fd：RAID)
2. Partition起始磁柱
3. Partition的磁柱数量

通常情况下,诸如lilo、grub这些常见的引导程序都直接安装在MBR中.我们以grub为例来分析这个引导过程.

grub引导也分为两个阶段stage1阶段和stage2阶段(有些较新的grub又定义了stage1.5阶段).

1. stage1：stage1是直接被写入到MBR中去的,这样机器一启动检测完硬件后,就将控制权交给了GRUB的代码.也就是上图所看到的前446个字节空间中存放的是stage1的代码.BIOS将stage1载入内存中0x7c00处并跳转执行.stage1(/stage1/start.S)的任务非常单纯,仅仅是将硬盘0头0道2扇区读入内存.而0头0道2扇区内容是源代码中的/stage2/start.S,编译后512字节,它是stage2或者stage1_5的入口.而此时,stage1是没有识别文件系统的能力的.如果感觉脑子有些晕了,那么下面的过程就直接跳过,去看stage2吧!

【外传】定位硬盘的0头0道2扇区的过程：

BIOS将stage1载入内存0x7c00处并执行,然后调用BIOS INIT13中断,将硬盘0头0道2扇区内容载入内存0x7000处,然后调用copy_buffer将其转移到内存0x8000处.在定位0头0道2扇区时通常有两种寻址方式：LBA和CHS.如果你是刨根问底儿型的爱好者,那么此时去找谷哥打听打听这两种方式的来龙去脉吧.

2. stage2：严格来说这里还应该再区分个stage1.5的,就一并把stage1.5放在这里一起介绍了,免得大家看得心里乱哄哄的.好的,我们继续说0头0到2扇区的/stage2/start.S文件,当它的内容被读入到内存之后,它的主要作用就是负责将stage2或stage1.5从硬盘读到内存中.如果是stage2,它将被载入到0x820处；如果是stage1.5,它将被载入到0x2200处.这里的stage2或者stage1_5不是/boot分区/boot/grub目录下的文件,因为这个时候grub还没有能力识别任何文件系统.

? 如果start.S加载stage1.5：stage1.5它存放在硬盘0头0道3扇区向后的位置,stage1_5作为stage1和stage2中间的桥梁,stage1_5有识别文件系统的能力,此后grub才有能力去访问/boot分区/boot/grub目录下的 stage2文件,将stage2载入内存并执行.

? 如果start.S加载stage2：同样,这个stage2也不是/boot分区/boot/grub目录下的stage2,这个时候start.S读取的是存放在/boot分区Boot Sector的stage2.这种情况下就有一个限制：因为start.S通过BIOS中断方式直接对硬盘寻址(而非通过访问具体的文件系统),其寻址范围有限,限制在8GB以内.因此这种情况需要将/boot分区分在硬盘8GB寻址空间之前.

假如是情形2,我们将/boot/grub目录下的内容清空,依然能成功启动grub；假如是情形1,将/boot/grub目录下stage2删除后,则系统启动过程中grub会启动失败.

三、启动内核

当stage2被载入内存执行时,它首先会去解析grub的配置文件/boot/grub/grub.conf,然后加载内核镜像到内存中,并将控制权转交给内核.而内核会立即初始化系统中各设备并做相关的配置工作,其中包括CPU、I/O、存储设备等.

关于Linux的设备驱动程序的加载,有一部分驱动程序直接被编译进内核镜像中,另一部分驱动程序则是以模块的形式放在initrd(ramdisk)中.

（编辑：应用网_丽江站长网）

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