Linux学习笔记：系统启动引导过程

时间：2022-04-18 15:35:02

Linux系统启动引导过程

最近发现自己在只是掌握上有几个比较硬的伤：

  • 一、知识体系碎片，比如Linux，这学点那学点，结果没有成体系，串不起来；

  • 二、记忆时间短暂，很多的内容学了就忘，最后的结果是遇见一个知识点就能想起来自己的确学过，但是现在记不起来了。

  • 三、理解程度浅显，比如说今天要整理关于Linux引导的内容，之前大体是知道的，不能称之为理解，我认为在学着一个知识点的时候至少要能系统有条理地讲出来，而不是有个模模糊糊的大体认识。

个别名词解释

1.BIOS（Basic Input Output System）：基本输入输出系统。其实，它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序，它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。

2.MBR（Master Boot Record)：主引导记录。硬盘的0柱面、0磁头、1扇区称为主引导扇区（也叫主引导记录MBR）。

MBR是不属于任何一个操作系统，也不能用操作系统提供的磁盘操作命令来读取它，但可以通过命令来修改和重写。

3.GRUB（GRand Unified Bootloader）：GNU GRUB是一个来自GNU项目的多操作系统启动程序。GRUB是多启动规范的实现，它允许用户可以在计算机内同时拥有多个操作系统，并在计算机启动时选择希望运行的操作系统。GRUB可用于选择操作系统分区上的不同内核，也可用于向这些内核传递启动参数。

Linux引导过程预览

从按下电源键后执行的操作：

Created with Raphaël 2.1.0 按下电源键 加载BIOS 读取MBR Boot Loader Boot Loader 用户层init依据inittab文件来设定运行等级 init进程执行rc.sysinit 启动内核模块 执行不同运行级别的脚本程序 执行/etc/rc.d/rc.local 执行/bin/login程序，进入登录状态 开机完成

详细分析引导过程

第一步、加载BIOS

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：

  1. 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；

  2. 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。

第二步、读取MBR

系统找到BIOS所指定的硬盘的MBR后，就会将其复制到0×7c00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。

补充：

一个扇区的硬盘主引导记录MBR由4个部分组成。

  1. 主引导程序（偏移地址0000H–0088H），它负责从活动分区中装载，并运行系统引导程序。

  2. 出错信息数据区，偏移地址0089H–00E1H为出错信息，00E2H–01BDH全为0字节。

  3. 分区表（DPT,Disk Partition Table）含4个分区项，偏移地址01BEH–01FDH,每个分区表项长16个字节，共64字节为分区项1、分区项2、分区项3、分区项4。

  4. 结束标志字，偏移地址01FE–01FF的2个字节值为结束标志0xAA55或0x55AA,称为“魔数”（magic number）。如果该标志错误系统就不能启动。

第三步、Boot Loader

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是常见的Loader。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。

第四步、加载内核

根据grub设定的内核映像所在路径，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，基于Linux的程序应该可以正常运行。

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。

/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

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，它设定PATH、设定网络配置（/etc/sysconfig/network）、启动swap分区、设定/proc等等。

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。

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。

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。

第十步、执行/bin/login程序，进入登录状态

此时，系统已经进入等待用户输入username和password状态，用户可以用自己的帐号登入系统

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