Linux电脑系统启动过程

Linux系统启动过程

BIOS/UEFI

我们使用的电脑，在主板上面会有一段固化代码，我们称之为板载启动程序（固件），早期是BIOS，近几年已经迭代为UEFI。
注：BIOS/UEFI也是可以刷写的，不过需要特别小心哟，不然电脑就起不来啦！

GRUB

GRUB（GRand Unified Bootloader）是一个来自GNU项目的多操作系统启动程序，其角色和嵌入式领域的U-Boot是类似的，负责硬件初始化（如内存、硬盘）和加载内核。

系统启动过程

电脑按下开机键后，系统引导分3个阶段：

1. 初始准备阶段：加载BootLoader

   BIOS自检通过后，会根据设置的boot order寻找第一个可以引导的设备（boot device）。如果第一个boot device是硬盘/U盘，BIOS会读取它的第一个扇区（MBR所在扇区）加载到内存0x07c00地址处，并跳转到该地址执行。

   MBR只有446字节，不可能实现复杂功能，它用于存放GRUB2 boot.img，它的主要任务（或者说boot.img的主要任务）是读取GRUB2 core.img的第一个扇区到内存，并执行该扇区的代码。

   注1：GRUB2编译出的boot.img恰好是512字节，GRUB安装时会将boot.img写入MBR。

   注2：MBR空间有限，不可能实现复杂功能，不支持通过文件系统读取GRUB2 core.img，只能按扇区去读core.img。

   那么，core.img又存储在哪里呢？

   一般来说，在MBR扇区和硬盘第一个分区之间，还有一块空闲区域（MBR gap，又称保留扇区），MBR gap有62个扇区（即31744字节）。GRUB2的core.img就是从MBR gap的第一个扇区开始依次存储，这也意味着core.img大小不能超过31744字节！（注：GRUB2里的很多功能模块是以module的形式存在，不会编译进core.img，从而控制core image的size）

   GRUB安装时，会将MBR gap第一个扇区的地址硬编码到MBR，MBR会从该位置读取第一个扇区内容（即core.img的开头512字节）到内存并执行，此扇区代码会将core.img剩余部分读入内存。

   core.img功能强大，可以按需加载功能模块（比如文件系统驱动），可以识别文件系统，挂载分区和访问文件。

   扩展：引导扇区的结构

   • 前446字节是MBR（Master Boot Record，主引导记录）；

   • 接下来的64字节是分区表；

   • 末尾2字节是结束标志（0xaa55）；

2. 内核启动前的配置和管理阶段

   GRUB core.img执行后，会出现GRUB2启动菜单，按上、下方向键选择启动项（按E键可以编辑启动项）。

   同时，在此阶段，也可以按C键进入GRUB Shell。

3. 加载内核阶段

   在选择完启动项后，GRUB2会加载指定的内核文件（grub.cfg的每个menuentry都会指定kernel和initrd的位置）到内存0x100000处，然后跳转到内核指令开始执行。

4. Kernel引导阶段：

   内核自解压

   内核初始化

   内核启动时，会再次检测硬件并初始化。

5. 准备过渡阶段的root文件系统

   为了兼容不同类型的存储设备和文件系统，同时不增大kernel size，CentOS、Ubuntu等发行版都会先启动一个临时的root文件系统作为过渡系统，在过渡系统内加载需要的驱动模块，并挂载真正的root文件系统。

   这个“临时的root文件系统”就是initramfs，一般存放在/boot/目录下。在系统引导阶段，GRUB加载/boot/initrd.img-$(uname -r)到内存，然后内核将其解压到所创建的tmpfs中，而tmpfs在创建时就被挂载到根目录。

   然后，kernel会调用initramfs中的/init程序，从此进入用户空间，init程序会继续启动各个系统服务，最后运行agetty程序，显示登录界面。

6. 跳转到真正的root文件系统
   此小节未完待续。请思考：“过渡root文件系统”是怎么切换到“真正的root文件系统”？ （switch-root服务？）

GRUB内部窥探

GRUB的运行模式：

模式	说明
Normal	常规模式，包括菜单和控制台，是GRUB默认模式
Rescue	受限模式，比如GRUB未找到root设备，会进入该模式

注：在 normal 模式下输入rescue即可进入 rescue 模式；在 rescue 模式下输入normal即可进入 normal 模式。

GRUB Rescue mode

如果GRUB未能成功加载内核，就会进入Rescue模式。在Rescue模式下，只有很少的命令可用：

命令	说明
set	查看环境变量（主要是root和prefix变量）
unset
ls	查看设备
insmod	加载模块

参考：

• grub rescue救援模式的处理

• GRUB only offers a rescue shell

• The list of available commands

• The GRUB2 Rescue Shell