Linux启动概述

论文 启动概述

BIOS加载MBR阶段

在最开始的时候，先声明一下。MBR实际上指的是硬盘的第一个扇区，其中存储了bootloader的stage1，为了和后面的stage2去分开，本文把bootloader stage1称为MBR。
BIOS是什么就不用介绍了，来简单说说MBR是什么。
计算机接电之后第一个启动的是BIOS，因为BIOS是存储在主板上的一个小程序，空间有限代码量少因此功能受限。要经过一步步的控制权转移，最后转移给功能更加强大的操作系统。
BIOS对系统做一些简单的初始化工作，然后把控制权交给MBR。MBR（Main Boot Record）存在于整个硬盘最开始的扇区。每个扇区都是512字节，在安装系统的时候创建，MBR引导扇区的内容是：

• 446字节的引导程序及参数
• 64字节的分区表（每个分区表项16字节，因此只能有4个主分区）
• 2字节的结束标志0x55和0xaa

0x55和0xaa是MBR结束标志，0x7c00是MBR被加载在内存中的位置。
BIOS结束自己的工作以后，需要把控制权交给MBR，过程是：BIOS找到MBR并且把MBR加载在内存中，跳转到该位置。
为了方便BIOS寻找，约定好0盘0道1扇区（第一个扇区）用来存储MBR。MBR内容占510个字节，剩余两个字节用作结束标志。BIOS不用遍历这个扇区，只要检测到有这个标志就认为这个扇区有可以运行的MBR存在，否则BIOS会报错。这两个结束标志是0x55和0xaa。
关于0x7c00，这是一个历史遗留问题。MBR的名称是主引导记录，MBR主要工作是：建立分区表、引导其他更复杂的程序。8086cpu要求0~30k位置用来存储中断向量表，DOS1.0要求的最小内存是32k，因此MBR必须存储在钱32k中，中断向量表长度不一定，MBR希望自己有足够的空间运行（MBR也是程序，程序运行需要用到栈，MBR预估自己需要用到512字节的自身存储和512字节的堆栈空间），同时尽可能多的留给向量表足够的空间。综上，MBR存储在32k的最后1k空间，也就是从0x7c00开始。
MBR的主要工作是定位bootloader，加载bootloader。

MBR加载bootloader

执行完了自己的工作，需要把控制权交出去。MBR遍历分区表中的4个分区，查找操作系统加载器，找到后把CPU交给加载器。MBR怎么知道加载器存在哪个分区呢？分区表项到 第一个字节就是活动分区标志，如果该分区存储了加载器，该标志被置为0x80，否则是0.MBR只需要遍历分区表就能找到控制权接力赛的下一棒选手应该是谁。这里为了方便MBR找到活动分区上的（因为程序跳转是需要指明跳转地址的），约定好加载器就存储在各分区的开始扇区，这个扇区被称为操作系统引导扇区也称为，这个OBR就是我们常见的x86平台上的grub或者arm平台上的uboot，这个程序负责的主要工作是加载kernel image 并解压缩。

bootloader加载kernel

下面的主角变成了bootloader，bootloader可能有些人会有点陌生，举一个例子：grub就是常见的X86平台上的bootloader。x86下bootloader工作在实模式下，
bootloader主要工作可分为4个：

• 识别全部kernel
• 根据用户选择或者配置信息加载kernel
• 提供kernel运行需要的信息
• 实模式切换保护模式
• 控制权交给kernel

识别kernel

你的内核一定是存在磁盘上的，问题是他在磁盘上的哪一个扇区。在确定这个问题之前，一切都是有可能的。可能是存在磁盘上，可能在缓冲区上等等。加载的时候需要加载什么，这也取决与kernel的设计。比如说Linux需要加载一个额外的文件/etc/initrd，这个文件保存了初始化的过程。如果内核是模块化的，并且文件系统需要其他模块的支持，加载内核的时候就需要同时加载这些module。

准备kernel需要的信息

一些内核要求额外的information，

切换到保护模式

下面举个例子，x86平台上的grub引导。
CRUB会根据需求显示一个可用的内核列表（定义在/etc/grub.con，以及/etc/grub/menu.lst和/etc/grub.conf的软连接）。你可以选中一个内核，并且可以用附加的内核参数改进它。另外，你还能通过shell终端命令行的方式手动控制整个启动过程。
Bootloader完成CPU、RAM、网卡等信息的初始化，建立内存的映射关系。在外存上找到kernel image，启动IO读入内存。一般kernel image使用zlib压缩为zImage或者bzImage格式，读取了image以后，在内核镜像的头部，有一个小型的routine，做一些简单的硬件设置，解压缩至高端内存（输出解压缩提示信息：Decompressing Linux...），加载initrd（注意：这个在后面会作为临时根文件系统存在）进内存，执行kernel通过./arch/i386/boot/head。

kernel初始化

Bootloader在把控制权交给kernel时候，会传递一些参数。这个参数可以是用户通过bootloader设置的（例如：grub的配置文件grub.conf），或者是bootloader自己检测到的硬件信息（例如：根设备标识、页面大小、内核需要的命令信息）。
内核先是设置系统的状态（此部分通过汇编程序head.S完成）：查看CPU类型检查kernel是否支持此种类型，查找体系类型，初始化寄存器，创建页表，开启MMU，建立IDT、GDT、LDT，跳转到入口函数start_kernel（main.c中，是第一个C函数）处。

在main开始运行的时，PC处于一个实模式，CPU执行一些必要操作后跳转到保护模式。这里，有两个很重要的问题：中断和内存。在实模式下，处理器的中断向量表始终位于存储地址0（最开始的位置），而在保护模式下，中断向量表的位置存储在称为IDTR的CPU寄存器中。同是逻辑地址到线性地址转换实模式和保护模式是不一样的，保护模式需要一个称为GDTR的寄存器来加载内存的全局描述符表的地址。因此，go_to_protected_mode调用setup_idt和setup_gdt来安装临时中断描述符表和全局描述符表。
现在我们准备好了跳转到保护模式了，调用protected_mode_jump，这个函数设置CR0寄存器的PE位，打开A19地址线等等操作跳转到保护模式。注意此时分页还是被禁用的，因为暂时还不需要分页。现在，内存终于可以寻址到4GB，调用32位内核入口点startup_32。
startup_32调用decompress_kernel解压缩真正的内核，并在显示器上打印信息Decompress Linux...。解压缩过的kernel此时会覆盖解压缩之前的内核镜像。解压缩结束以后，清楚BSS段设置最终的GDT和IDT，构建页表，打开分页初始化堆栈，最后跳转到start_kernel。
start_kernel执行各种初始化函数：初始化IRQ（interrupt handling），初始化时钟、CPU、内存、VFS、中断向量表、内核内存管理子系统。最后调用rest_init，这几乎是start_kernel的全部工作，rest_init创建一个内核线程，执行kernel_init，rest_init调用schedule启动任务调度，调用cpu_idle。cpu_idle永远运行，只有当进程就绪列表中有就绪进程时候，cpu_idle才会被从CPU上拉下来，当没有进程时候，这个空闲进程又被啦起来执行。这是进程0.这个进程漫长的工作终于结束了，从BIOS、MBR、Bootloader最后到kernel。但是这里还不能认为kernel已经启动了。
进程0刚刚创建了一个内核线程执行kernel_init，还记得吗？我们现在看看这个线程的运行。kernel_init负责初始化启动剩下的CPU，从启动分析到现在，我们只有一个CPU在运行注意到了吗？这个CPU我们成为引导CPU，剩下的应用CPU初始化依然需要从实模式开始。最后kernel_init调用init_post，这个函数尝试执行一下用户进程：/sbin/init、/etc/init、/bin/init和/bin/sh，如果全部失败，产生kernel panic。如果上述程序存在，创建进程1运行（这个进程是所有用户进程的父进程）。init读取的第一个文件是/etc/inittab，从这里init决定了我们的Linux操作系统的运行级别。Linux系统有7个运行级别(runlevel)：

level 0:系统停机状态
level 1:单用户工作状态
level 2:多用户状态
level 3:完全多用户状态
level 4:保留
level 5:X11
level 6:reboot

Init从/etc/fstab文件中查找分区表信息，用真正的文件系统替换initrd。Init然后启动默认运行级别的/etc/init.d目录中指定的所有服务或者脚本。这是所有服务由init逐个初始化的步骤。在这个过程中，一次一个服务由init启动，所有守护程序在后台运行，init继续管理它们。
至此，结束。

启动部分的问题

更加详细过程参见Linux启动概述。
根据上面传送门的分析，可以看出来，Linux启动过程基本就是小的boot loader加载一个大的boot loader，环环相扣争分夺秒交接控制权，这里就有一些疑惑：

• BIOS是为什么出现的？为什么不是一开始就是从kernel开始执行？
  BIOS是存储在主板上的依赖硬件的一段程序，每一个不同设计的主板都需要一个专用的BIOS，因此不太可能做成一个通用的标准的BIOS/OS。BIOS的作用是：

  当PC开关按下以后，BIOS的第一个任务是加电自检（POST，Power On Self Test），识别和初始化硬件设备（例如：CPU，RAM，显卡设备，键盘，鼠标，硬盘，光驱，USB设备等等。注意鼠标只有UEFI识别，传统的BIOS是不能使用鼠标的）。
  

  注意你可以在没有任何外部存储的情况下启动电脑，这是需要BIOS的原因之一。另一方面来说，BIOS提供了一个统一的接口，为程序使用每一个硬件资源提供了便利。
  一旦BIOS加载了bootloader，计算机就完完全全被控制，BIOS退出舞台。

• 为什么需要MBR，为什么不是BIOS直接load bootloader？
  因为BIOS约定好，直接跳转到硬盘的第一个扇区。去掉两字节的magic number，也就是说BIOS的下一棒选手只能有510字节，我们常见的bootloader（x86的grub或者是arm的u-boot）大大超过了这个限制。说道这里也有一个比较迷惑的一点，为什么要有这个限制呢？BIOS只会加载这一个扇区进来吗？为什么不是两个三个扇区，这样就不需要MBR，BIOS直接加载bootloader更节省时间不是吗。
  为了解决上面的疑问，有必要提一下BIOS的背景。也就是说在什么情况下，出现了BIOS。BIOS最开始是为只有很小外存的8位PC编写的，他不能直接访问那么多的磁盘。因此我猜测，可能是BIOS最开始只能访问一个扇区，所以才有了MBR。
  也是有这样的设计的，BIOS直接加载bootloader，也就是说one stage bootloader。这个bootloader也必须存放在MBR中，也就是说还是受446字节的限制。同时要想16位（实模式）的bootloader加载执行32位kernel（保护模式），并且限制在这么短的代码内，这是非常有难度的一件事，而且还有错误处理代码。因此bootloader要包括：查找加载32位的内核，执行内核和错误处理代码。

• 为什么需要bootloader，MBR不能直接load kernel吗？
  MBR受本身size的影响（MBR全部占一个扇区，即512字节。其中还包括了64字节的分区表和两字节的magic number）。MBR程序只能占446字节，不能完成太复杂的功能。所以需要MBR先把控制权转给bootloader，bootloader负责加载kernel。
  而且bootloader也可以允许在磁盘上安装多个操作系统，bootloader负责管理这些操作系统，以及根据用户选择加载这些系统。
  和之前说过的一样，也有one stage bootloader的设计，只是因为空间关系，实现起来难度很大。Besides，也有混合bootloader。