linux 系统启动过程

Linux 系统的启动过程

简介

我们都知道:操作系统运行的代码是在硬盘上的,最终要跑到内存和 CPU 上,才能被我们使用。

那从摁下电源键到看到系统界面,操作系统是怎么霸占了所有的硬件资源,把自己加载到内存开始运行的呢? 可以想到有两个可能性:操作系统自己实现的,或者有其他贵人帮忙。如果是操作系统自己启动的,就有了一个“鸡生蛋,蛋生鸡”的问题;如果是后者的话,一定有在操作系统启动之前就能工作的神力,把沉睡在硬盘的操作系统变到工作状态。

事实上,Linux 系统的启动正是上面第二种情况。帮助把 Linux 内核(Kernel)加载到内存的程序是 Boot Loader,下图的箭头表示加载关系。

Boot Loader —-> Linux Kernel

现在只需要知道 Boot Loader 位于启动盘的第一个扇区,功能是引导 Linux 系统就可以啦,至于更详细的说明会在后面提到。那现在的问题是 Boot Loader 是怎么运行起来的?而且,系统怎么知道哪个可启动设备要使用呢?有时候计算机可能启动的设备可能有多个:网络、硬盘、U 盘,CD 盘等。这就需要另外一个东西来做这件事,那就是 BIOS。

BIOS —-> Boot Loader

顺着上面的思路,现在的问题是:BIOS 的谁启动的?呃,这好像是个没有止境的过程。不过幸运的是,难题就到此结束了。BIOS 是嵌在主板上的固件,计算机启动时候的约定就是启动 BIOS 开始执行。

最后总结一下 Linux 的启动过程:

  1. 摁下电源键,BIOS(Basic Input/Output System)启动初始化硬件的工作,包括屏幕和键盘,内存检测,这个过程也被成为 POST(Power On Self Test),然后按照 CMOS RAM 中设置的启动设备查找顺序,来寻找可启动设备 。注:BIOS 程序嵌在主板的 ROM 芯片上的。
  2. POST 过程结束后,系统的控制权从 BISO 转交到 boot loader。Boot loader 一般存储在系统的硬盘上(传统的 BIOS/MBR 系统),或者 EFI 分区上(最近的 EFI 系统)。这个时候机器不能获取外部的存储或者网络信息,一些重要的值(日期、时间、其他外部值)都是从 CMOS 里读取。CMOS 在计算机断电后也能工作的设备,Boot Loader 会在后面讲解。
  3. Boot Loader 选择要启动的操作系统,加载内核镜像和初始化 RAM disk 到内存。系统的内核开始运行,直到关机为止。

BIOS

摁下电源键的时候,计算机的一些寄存器被设置初值,指令寄存器 CS:IP 指向 BIOS 的第一条指令。BIOS 掌握控制权,来执行硬件检测的程序,BIOS 在结束自己生命之前会寻找可启动设备。那么,BIOS 怎么知道哪些设备室可以启动的呢?如果计算机要从一个不能启动的设置加载系统,会发生严重的错误。启动设备的第一个扇区的末尾两个字节一定是:0x550xAA,这两个魔法数就是区分可启动设备和不可启动设备的关键。使用 sudo head -c 512 /dev/sda | hd 可以看到第一个扇区的内容,注意最后两个字符。

BIOS 如果找不到可启动设备的话,就会报No Bootable Device Error

Boot Loader

对于使用 BIOS/MBR 模式的系统来说,Boot Loader 位于硬盘的第一个扇区,也称为 MBR(Master Boot Record)。MBR 只有 512 字节,主要工作就是检查分区表,并找到可以启动的分区,一旦找到启动分区,就在该分区里找到后面的 Boot Loader – 比如 GRUB,把它加载到内存(RAM)。

MBR 这么有限的字节空间里,主要包括了三部分的内容:

  1. bootstrap code:启动操作系统的代码
  2. 分区表:指示系统盘的位置
  3. 魔法数:0x55AA

对于使用 EFI/UEFI 模式的系统来说,UEFI 固件读取 Boot Manager 的数据来决定启动哪一个 UEFI 应用,已经找到它的位置。该固件然后启动 UEFI 应用,比如 GRUB。

现在的控制权都到了 GRUB 启动程序的手里,GRUB 根据你选择的系统(多系统的情况会有界面出现让用户选择,只有一个系统的情况会直接选择该系统),把系统的内核加载到内存开始运行,同时也会初始化 RAM disk 文件系统(initramfs)到内存,供内核使用,并把控制权交给内核。

Linux Kernel

内核一般都是压缩的,所以它的首要任务是解压缩,然后检查和分析系统的硬件并初始化内核里的硬件驱动程序。内核刚加载到内存的时候,文件系统还不能使用,它使用的是 Boot Loader 加载金内存的 initramfs。 内核被加载到内存后首要工作是:初始化和配置机器的内存、处理器、存储设备等,内核也会启动一些用户态的程序。

initramfs

前面提到过 boot loader 加载到内存的 RAM disk,也就是 initramfs,现在就详细讲一讲它。initramfs 包含的一些程序和二进制文件,会执行一系列的动作,保证 root 文件系统 mount 到系统。这里动作包括,为需要的文件系统提供内核的功能,以及使用 udev(User Device) 工具来发现和加载硬盘的驱动程序。 等到 root 文件系统找到后,它会检查错误然后 mount 到系统。

mount 程序告诉操作系统某个文件系统可以使用,并把它加载到文件系统的某个路径(mount point)。如果这些动作都成功的话,initramfs 就会从内存中清除,init 程序(位于 /sbin/init)开始执行。

/sbin/init

init 处理挂载(mount)工作,是整个的文件系统正常运行的枢纽。需要注意的时,如果在访问存储设备的时候,需要的硬件驱动,必须在 initramfs 阶段都加载好。

到目前为止,内核程序准备好了所有的硬件资源,也把文件系统都挂载好了。它运行了 /sbin/init 程序,也就是第一个系统进程(之前运行的程序都不是 OS 级别的,不在 OS 的管辖范围),它的进程号(pid)就是 1。下面是我在自己的系统上运行 ps aux | grep init 的结果,第二列就是进程号:

root         1  0.0  0.0  24320   864 ?        Ss   Jan15   0:00 /sbin/init

第一个启动的程序当然也肩负着比较重要的责任:把系统需要其他程序都启动起来。传统的 System V UNIX 工作模式下,这个过程是遍历 runlevels 序列的程序脚本,来启动或者停止预先定义的服务(service)。除了上面那个主要的任务外,init 也负责保持系统一直运行和在 shutdown 系统的清理工作,还有用户登入和登出的工作。

登陆和使用

前面已经说过了,init 程序负责用户的登入和登出。如果是服务器 linux 或者其他文本模式的 linux,init 就会启动 getty 程序来接受用户输入的用户名和密码来验证用户。

如果是图形界面的 linux, 会有 display manager 的服务负责检测显示屏和启动 X-server。display manager 也负责图形界面的用户登陆,以及启动正确的桌面环境。

参考资料

  1. edx 上 introduction to linux 的启动章节
  2. 阮一峰介绍计算机启动的文章
  3. wikipedia 上相关文章

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