Linux开机过程

收集了几篇

https://blog.csdn.net/qq_34834193/article/details/53236855

https://www.cnblogs.com/codecc/p/boot.html

https://www.linuxidc.com/Linux/2017-08/146494.htm

 

BIOS芯片

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。

控制权移交到MBR部分

MBR（Main Boot Record 主引导记录区）位于整个硬盘的0磁道0柱面1扇区。

在512字节的MBR中，主引导程序占用了其中的446个字节（boot loader（如grub或lilo）），另外的64个字节交给了 DPT（Disk Partition Table硬盘分区表），最后两个字节“55，AA”是分区的结束标志。这个整体构成了硬盘的主引导扇区。

通过boot loader grub，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。

将硬盘0头0道2扇区读入内存。

initrd加载到内存里，执行initrd中的init脚本，同时运行/sbin/init程序，执行系统的1号进程。此后将系统的控制权全部交给/sbin/init进程。 

/etc/inittab文件来执行相应的脚本进行系统初始化，如设置键盘、字体，装载模块，设置网络等。

 

当/etc/rc.d/rc.sysinit执行完后，系统就可以顺利工作了，只是还需要启动系统所需要的各种服务，这样主机才可以提供相关的网络和主机功能，因此便会执行/etc/rc.d/rc脚本。执行用户自定义引导程序/etc/rc.d/rc.local。

linux会启动终端或X-Window来等待用户登录。tty1,tty2,tty3…这表示在运行等级1，2，3，4的时候，都会执行”/usr/sbin/getty”，而且执行了6个，所以linux会有6个纯文本终端。

图1-1：系统启动流程

 

 

电脑启动最新发展（BIOS，CMOS，MBR，DPT;UEFI,GPT）：

参考：https://blog.csdn.net/Scythe666/article/details/79708293

BIOS根据CMOS中用户指定的硬件启动顺序，读取相应设备的启动或引导记录，引导相应设备上的操作系统启动，进入操作系统，此后便由操作系统接替BIOS负责硬件和软件间的相互通信。如果发现所有硬件都没有能引导操作系统的记录，则会在屏幕上显示相应错误信息，并将电脑维持在16位实模式。

虽然BIOS作为电脑加电启动所必不可少的部分，但是从其于1975年诞生之日起近30余年，16位汇编语言代码，1M内存寻址，调用中断一条条执行的理念和方式竟然一点都没有改变，虽然经各大主板商不懈努力，BIOS也有了ACPI、USB设备支持，PnP即插即用支持等新东西，但是这在根本上没有改变BIOS。

UEFI，是Unified Extensible Firmware Interface，伴随GUID分区表(简称GPT），与普遍使用的主引导记录(MBR)，不同，可以支持大于2T分区，分区个数也多于4个。

一般地，预加载环境和驱动执行环境是存储在UEFI（UEFI BIOS）芯片中的，当打开电源开关时，电脑的主要部件都开始有了供电，与BIOS不同的是，UEFI预加载环境首先开始执行，负责CPU和内存（是全部容量）的初始化工作，这里如出现重要问题，电脑即使有报警喇叭也不会响，因为UEFI没有去驱动8255发声，不过预加载环境只检查CPU和内存，如果这两个主要硬件出问题，屏幕没显示可以立即确定，另外一些主板会有提供LED提示，可根据CPU或内存亮灯大致判断故障。

CPU和内存初始化成功后，驱动执行环境（DXE）载入，当DXE载入后，UEFI就具有了枚举并加载UEFI驱动程序的能力，在此阶段，UEFI会枚举搜索各个硬件的UEFI驱动并相继加载，完成硬件初始化工作，这相比BIOS的读中断加载速度会快的多，同样如加载显卡的UEFI驱动成功，电脑也会出现启动画面，硬件驱动全部加载完毕后，最后同BIOS一样，也得去启动操作系统。

在启动操作系统的阶段，同样是根据启动记录的启动顺序，转到相应设备（仅限GPT设备，如果启动传统MBR设备，则需要打开CSM支持）的引导记录，引导操作系统并进入，这里需要注意的是，UEFI在检测到无任何操作系统启动设备时，会直接进入UEFI设置页面，而不是像BIOS那样黑屏显示相关信息。

综上对BIOS和UEFI启动计算机过程的叙述，可以概括为：BIOS先要对CPU初始化，然后跳转到BIOS启动处进行POST自检，此过程如有严重错误，则电脑会用不同的报警声音提醒，接下来采用读中断的方式加载各种硬件，完成硬件初始化后进入操作系统启动过程；而UEFI则是运行预加载环境先直接初始化CPU和内存，CPU和内存若有问题则直接黑屏，其后启动PXE采用枚举方式搜索各种硬件并加载驱动，完成硬件初始化，之后同样进入操作系统启动过程。

此外，BIOS是16位汇编语言程序，只能运行在16位实模式，可访问的内存只有1MB，而UEFI是32位或64位高级语言程序（C语言程序），突破实模式限制，可以达到要求的最大寻址。

 

GRUB（GRand Unified Bootloader）

参考：https://blog.csdn.net/liu5320102/article/details/54846432

https://blog.csdn.net/rosetta/article/details/8687556

在X86 架构的机器中，Linux、BSD 或其它Unix类的操作系统中GRUB、LILO 是大家最为常用，应该说是主流；

Windows也有类似的工具NTLOADER.

系统启动引导管理器，是在计算机启动后运行的第一个程序，他是用来负责加载、传输控制到操作系统的内核，一旦把内核挂载，系统引导管理器的任务就算完成退出，系统引导的其它部份，比如系统的初始化及启动过程则完全由内核来控制完成；

 grub（GrandUnified Boot Loader）是有名的引导内核程序（另外一款比较有名的是LILO，嵌入式环境使用U-boot、bootloader），它支持多种硬盘分区类型加载（FAT,ext2,ext3，minix,FFS等），支持多系统引导等。

当计算机加电自检后，ROM　BIOS加载MBR（主引导扇区，即硬盘第一扇区）中的代码到内存中，这个扇区一共512字节，前446字节内容存放grub（bootloader）的关键引导程序，接着64字节放置硬盘分区表DPT（Disk Partition Table），一共四可以有四个主分区，占64个字节，这也是为什么主分区最多只有四个的原因，最后2个字节是固定的标志0x55AA。当BIOS把引导程序加载到内存后就把控制权交给grub，而后grub的剩余代码将完成其它代码的加载和搬移以及文件系统初始化查找等工作，最终加载内核映像文件，从而把控制权交给真正的内核运行。
 

kernel

参考：https://blog.csdn.net/ooonebook/article/details/52710290

但是注意，加载的位置是有要求的，一般是加载到物理RAM偏移0x8000的位置，也就是要在前面预留出32K的RAM。kernel会从加载的位置上开始解压，而kernel前面的32K空闲RAM中，16K作为boot params,16K作为临时页表

* MMU = off 
MMU用来处理物理地址到虚拟内存地址的映射，因此需要软件上需要先配置其映射表（也就是后续文章会说明的页表）。MMU关闭的情况下，CPU寻址的地址都是物理地址，也就是不需要经过转化直接访问相应的硬件。一旦打开之后，CPU寻址的所有地址都是虚拟地址，都会经过MMU映射到真正的物理地址上，即使你在代码中访问的是一个物理地址，也会被当作虚拟内存地址使用。 
而映射表是由kernel自己创建的，因此，在创建映射表之前kernel访问的地址都是物理地址，所以必须保证MMU是关闭状态。 
* D-cache = off 
CACHE是CPU和内存之间的高速缓冲存储器，又分成数据缓冲器D-cache和指令缓冲器I-cache。具体意义这里不多说明。 
数据Cache一定要关闭，否则可能kernel刚启动的过程中，去取数据的时候，从Cache里面取，而这时候RAM中数据还没有Cache过来，导致数据预取异常 。 
 

init

init是Linux系统操作中不可缺少的程序之一。所谓的init进程，它是一个由内核启动的用户级进程。内核会在过去曾使用过init的几个地方查找它，它的正确位置（对Linux系统来说）是/sbin/init。如果内核找不到init，它就会试着运行/bin/sh，如果运行失败，系统的启动也会失败。

内核自行启动（已经被载入内存，开始运行，并已初始化所有的设备驱动程序和数据结构等）之后，就通过启动一个用户级程序init的方式，完成引导进程。所以init始终是第一个进程（其进程编号始终为1）。启动和监控其他所有用户态进程。