Llinux启动流程详解

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第一步:BIOS引导阶段

BIOS(Basic Input / Output System),又称基本输入输出系统,可以视为是一个永久地记录在ROM中的一个软件,是操作系统输入输出管理系统的一部分。早期的BIOS芯片确实是”只读”的,里面的内容是用一种烧录器写入的,一旦写入就不能更改,除非更换芯片。现在的主机板都使用一种叫Flash EPROM的芯片来存储系统BIOS,里面的内容可通过使用主板厂商提供的擦写程序擦除后重新写入,这样就给用户升级BIOS提供了极大的方便。

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:

  • 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。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。

    PS: 在个人电脑中,Linux的启动是从0xFFFF0地址开始的。
####第二步:系统引导 >MBR,它是Master Boot Record的缩写。硬盘的0柱面、0磁头、1扇区称为主引导扇区。它由三个部分组成,主引导程序(Bootloader)、 硬盘分区表DPT(Disk Partition table)和硬盘有效标志(55AA),其结构图如下所示:
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  MBR(Master Boot Record),主引导记录,MBR存储于磁盘的头部,大小为512bytes,其中,446bytes用于存储BootLoader程序,64bytes用于存储分区表信息,最后2bytes用于MBR的有效性检查。
GRUB

  GRUB(Grand Unified Bootloader),多系统启动程序,其执行过程可分为三个步骤:

  • 第一步:这个其实就是MBR,它的主要工作就是查找并加载第二段Bootloader程序(stage2),但系统在没启动时,MBR根本找不到文件系统,也就找不到stage2所存放的位置,因此,就有了stage2

  • 第二步:识别文件系统

  • 第三步:GRUB程序会根据/boot/grub/grub.conf文件查找Kernel的信息,然后开始加载Kernel程序,当Kernel程序被检测并在加载到内存中,GRUB就将控制权交接给了Kernel程序。

        PS:实际上这个步骤/boot还没被挂载,GRUB直接识别grub所在磁盘的文件系统,所以实际上应该是/grub/grub.conf文件,该配置文件的信息如下:

    default=0        #设定默认启动的title的编号,从0开始
    timeout=5       #等待用户选择的超时时间
    splashimage=(hd0,0)/boot/grub/splash.xpm.gz    #GRUB的背景图片
    hiddenmenu     #隐藏菜单
    title CentOS (2.6.18-194.el5PAE)      #内核标题
    root (hd0,0)         #内核文件所在的设备
    kernel /vmlinuz-2.6.18-194.el5PAE ro root=LABEL=/     #内核文件路径以及传递给内核的参数   initrd /initrd-2.6.18-194.el5PAE.img                            #ramdisk文件路径

三、启动Kernel

  Kernel,内核,Kernel是Linux系统最主要的程序,实际上,Kernel的文件很小,只保留了最基本的模块,并以压缩的文件形式存储在硬盘中,当GRUB将Kernel读进内存,内存开始解压缩内核文件。讲内核启动,应该先讲下initrd这个文件,

  initrd(Initial RAM Disk),它在stage2这个步骤就被拷贝到了内存中,这个文件是在安装系统时产生的,是一个临时的根文件系统(rootfs)。因为Kernel为了精简,只保留了最基本的模块,因此,Kernel上并没有各种硬件的驱动程序,也就无法识rootfs所在的设备,故产生了initrd这个文件,该文件装载了必要的驱动模块,当Kernel启动时,可以从initrd文件中装载驱动模块,直到挂载真正的rootfs,然后将initrd从内存中移除。

  Kernel会以只读方式挂载根文件系统,当根文件系统被挂载后,开始装载第一个进程(用户空间的进程),执行/sbin/init,之后就将控制权交接给了init程序。

四、Init初始化

  init程序就是进行OS初始化操作,实际上是根据/etc/inittab(定义了系统默认运行级别)设定的动作进行脚本的执行,第一个被执行的脚本为/etc/rc.d/rc.sysinit,这个是真正的OS初始化脚本,简单讲下这个脚本的任务(可以去看看实际脚本,看看都做了什么):

  1. 激活udev和selinux;
  2. 根据/etc/sysctl.conf文件,来设定内核参数;
  3. 设定系统时钟;
  4. 装载硬盘映射;
  5. 启用交换分区;
  6. 设置主机名;
  7. 根文件系统检测,并以读写方式重新挂载根文件系统;
  8. 激活RAID和LVM设备;
  9. 启用磁盘配额;
  10. 根据/etc/fstab,检查并挂载其他文件系统;
  11. 清理过期的锁和PID文件

      执行完后,根据配置的启动级别,执行对应目录底下的脚本,最后执行/etc/rc.d/rc.local这个脚本,至此,系统启动完成。

五、Runlevel指定运行级别

  runlevel,运行级别,不同的级别会启动的服务不一样,init会根据定义的级别去执行相应目录下的脚本,Linux的启动级别分为以下几种

启动级别 启动模式
0 关机模式
1 单一用户模式(直接以管理员身份进入)
2 多用户模式(无网络)
3 多用户模式(命令行)
4 保留
5 多用户模式(图形界面)
6 重启

  在不同的运行级别下,/etc/rc.d/rc这个脚本会分别执行不同目录下的脚本

Run level 0 – /etc/rc.d/rc0.d/
Run level 1 – /etc/rc.d/rc1.d/
Run level 2 – /etc/rc.d/rc2.d/
Run level 3 – /etc/rc.d/rc3.d/
Run level 4 – /etc/rc.d/rc4.d/
Run level 5 – /etc/rc.d/rc5.d/
Run level 6 – /etc/rc.d/rc6.d/

  这些目录下的脚本只有K*和S*开头的文件,K开头的文件为开机需要执行关闭的服务,S开头的文件为开机需要执行开启的服务。

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linux系统启动完整图:

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