Linux内核学习篇一：引导启动

对于Linux内核启动问题总是一知半解，今天正好趁着学习课本的机会，写一下自己的体会，尽量通俗易懂，方便日后翻看。好了进入正题~~~~~

首先需要明确一下几点：

1.引导程序也属于Linux内核的一部分，而不是独立于内核的，所以我们通常所说的“内核 = 引导 + 操作系统”。

1.Linux系统自身想要启动是无法实现的，所以必须要借助引导（软件程序+硬件设备）才行。

2.Linux的引导启动过程采用的是“多级”方式，不是“一个”程序或者部件就能完成的，而且还有固定的顺序。

下面按照引导启动的顺序依次进行介绍：BIOS -> bootsect.s -> bootsetup.s + system -> main.c

1.一级引导 -----BIOS

关于引导程序，我们以前经常听说的是“BIOS”，也就是（basic input-output system）。BIOS是第一个启动的设备，上电后“自动”启动，所以也是我们第一个要介绍的。BIOS 通常被写入一块 ROM 芯片连接在主板上，注意这里BIOS是写在“ROM”里的，所以说是不可通过编程更改的。为什么呢？

这里说一下我的理解，BIOS一个独立的部件，它有自己的硬件和软件，而且都是“写死的”，只要开机时按下了电源，BIOS就是第一个被启动的部件。那它做什么？它会立刻去启动设备的第一个扇区去取东西。（启动设备是什么？就是存放操作系统的设备，U盘、硬盘、软盘都可以作为启动设备，就看你的操作系统放在哪里了^_^）

这样的好处就是，开发者只需要把他的内核放到第一扇区就可以了。无论你是用的Windows/Linux/Mac系统，只要放在第一扇区，就一定能保证被读到，只能说很省心！（当然，BIOS还负责一些上电以后的自检工作，这可不感兴趣可以不深入研究了~）

2.二级引导 -----bootsect.s

好了，我们按照规则把内核放在了第一扇区，BIOS怎么读呢？是把内核全部都读出来吗？显然是不可能的，因为太耗时间而且内存也没有那么大的空间把系统全读进来。此时BIOS做的工作只是把内核中的“bootsect.s”程序读到了内存中，读到了内存的0x7c00这个地址上，bootsect.s一共只有512Bytes。（注意，这里.s是汇编文件，而bootsect.s就是一段汇编程序，它是一个可以执行的二级引导程序）

bootsect.s非常的狡猾，当它执行时，它不满足于待在0x7c00处，它将自己偷偷的移动到了0x90000处。所以bootsect.s在内存里的位置就是0x90000 ~ 0x901FF ，一共512Bytes。（有同学会问了，这时候BIOS干嘛去了，回答是BIOS将bootsect.s读出来就完成了它的使命，以后就没它的工作了）

bootsect.s移动了位置后，就开始执行了，执行主要完成两个工作：1）将bootsetup读到内存0x90200处。2）将system模块读到内存0x10000处。

3.三级引导 -----bootsetup.s / system模块

到了这里，bootsect.s也完成它的使命了。下面就交给bootsetup.s和system模块了。

1）bootsetup.s也是一段汇编程序，主要负责读取系统的一些数据。然后它做了一件很忘恩负义的事情，就是把这些读取来的数据保存在了0x90000 ~ 0x901FF，也就是将bootsect.s覆盖了！bootsetup.s的位置是在0x90200 ~ 0x909FF , 一共2KBytes。

2）system模块主要保存了大量的系统信息和变量。system模块的位置是在0x10000 ~ 0x8FFFF，一共512KBytes。system这里也很狡猾，它也偷偷的移动了自己的位置，怎么移动的呢？从0x10000 ~ 0x8FFFF 移动到了 0x00000 ~ 0x7FFFF。还是保持了512KByte长度不变。为什么要移动呢？因为你有没有感觉到0x00000这个移动后的起始地址很特殊呢？哈哈~因为全是0，这个好处就是如果操作系统去读取system模块中的数据时，完全不需要转换，也就是不需要加“偏移量”，比如要读取0x00F03处的数据，如果按照没移动之前的地址，那读取的位置是0x00F03 + 0x10000 = 0x10F03，而移动后，直接可以将0x00F03送到寄存器里去取。看到了没？移动后的地址不需要转换了，多省事~

4.系统常态运行 ------ main.c

经过了三级引导的处理，引导过程也算是结束了，程序会最终调用/init/main.c文件，执行main()函数，进入了正常的操作系统运行状态。

下图是书本上对启动过程内存的使用情况。非常直观~

横轴：时间        纵轴：内存（堆栈）

如果你要问为什么内存中地址高的反而在上面，那我推荐可以看一下“操作系统”->"堆栈-----操作系统方面"的介绍^_^

引导过程为什么这么复杂？

首先，无论是嵌入式设备还是PC，内部都是很复杂的，像上文中介绍的引导过程其实是省略了很多寄存器存取的过程。所以将引导过程分级处理，分割为各个环节，便于设计和维护，这让我想到了软件设计中的高内聚低耦合原理+_+。（如果想仔细研究引导过程，可以参见书本。。。）