Linux启动过程分析

史前时代：BIOS-计算机的启动过程

1. 加电 电源加电，主板芯片组像CPU发粗RESET信号，使CPU恢复到初始状态。当芯片组检测到电源开始稳定供电时会撤去RESET信号（松开重启建类似）， 这是CPU从0xfff0除开始执行指令。该地址位于BIOS寻址范围内。BIOS厂商通常在该地址放一条跳转指令，跳到真正BIOS启动代码除。
2. 自检 BIOS启动代码首先进行POST（Power-On Self Test，上电自检），POST的主要任务是检测系统中一些关键设备是否存在和能否正常工作， 例如内存和显卡等。如果系统BIOS在POST过程中发现致命错误，如未找到内存或内存有问题（640K内的常规内存），系统会直接控制喇叭报告错误，声 音的长短和次数代表错误的类型。
3. 设备初始化 POST完成后BIOS会查找显卡的BIOS，存放显卡BIOS的ROM芯片的起始地址通常设在0xC0000处，找到显卡BIOS后，调用其初始代码， 由显卡BIOS来初始化显卡， 此时多数显卡会在屏幕上显示出一些初始化信息，介绍生产厂商，图形芯片等内容。类似地，BIOS会查找其它设备的BIOS程序，调用这些BIOS内部的初 始化代码来初始化相关设备。
4. 测试设备 查找完所遇其它设备的BIOS之后，系统BIOS将显示自己的启动画面，其中包括系统BIOS类型，序列号和版本号等内容。接着BIOS将检测和显示 CPU的类型和工作频率，然后开始测试所有的RAM，并同时在屏幕上显示内存测试的进度。 内存测试通过后，系统BIOS将开始检测系统中安装的一些标准硬件设备，包括硬盘，光驱，串口，并口，软驱等，另外绝大多数较新版本的BIOS在这一过程 中回自动检测和设置内存的定时参数，硬盘参数和配置系统中安装的即插即用设备，没找到一个设备之后，BIOS会在屏幕上显示出设备的名称和型号等信息，同 时为该设备分配中断，DMA通道和I/O端口。
5. 更新ESCD 所有硬件检测配置完毕后，多数BIOS会重新清屏，并在屏幕上方显示出一个表格，其中概略的列出系统中安装的各种标准硬件设备，以及他们使用的资源和一些 相关工作参数。接下来系统BIOS将更新ESCE（Extended System Configration Data， 扩展系统配置数据）。ESCD是系统BIOS用来与操作系统交换硬件配置信息的一种手段，这些数据被存放在CMOS（Complementary metal oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体）之中。
6. 启动操作系统 ESCD更新完毕后，系统BIOS的启动代码将进行他的最后一项工作，即根据用户指定的启动顺序从软盘，硬盘或光驱启动操作系统。系统BIOS将启动盘的 第一个扇区读入到内存的0x7C00除，并检查0x7dfe地址的内存，如果其内容是0xaa55，跳转到0x7c00处执行MBR（Master Boot Record，主引导记录），MBR从分区表中找到第一个活动分区，按照类似方式读取并执行这个活动分区的引导扇区，该引导扇区负责读取并执行 bootloader（windows下C盘中的NTLDR），由bootloader加载系统内核

远古时代：Bootloader

引导装入程序（Bootloader）是BIOS将操作系统内核映像装载到RAM中执行的第一个程序。
软盘启动与磁盘启动过程稍有不同，软盘启动时，BIOS将启动软盘的第一扇区指令装载到RAM中，由于通常现代内核都大于一个扇区大小(512B)，因此第一扇区的指令通常是将包含内核映像的扇区加载到RAM中。
从硬盘启动时，硬盘的第一个扇区MBR中包含分区表和一小段程序，这段小程序用来装载被启动的操作系统所在分区的第一个扇区。Win98采用MBR中的小程序加载操作系统内核，而Linux在用一种更灵活的加载方式，bootloader。
Linux2.4及以前的版本，在第一个512字节有一个最小的引导程序，因此在第一扇区拷贝一个内核镜像就可以使软盘启动，但在2.6内核中不再有该引导程序，要想在软盘中启动，必须采用与磁盘类似的方式，在第一个扇区中装入一个引导程序。
Bootloader通常被安装在MBR上代替上面负责引导的小程序。Bootloader通常由于大于一个扇区，会被分为两部分，在BIOS将 Bootloader的第一部分加载到RAM的0x00007c00处开始执行，bootloader自己加载到0x00096a00，建立实模式站 (0x00098000~0x000969ff),并将bootloader的第二部分装入到0x00096c00开始的RAM中。
第二部分一次从此版读取操作系统映射表，提示给用户，用户可以选择要启动的系统，引动程序将相应分区的引导扇区拷贝到RAM中并执行，或直接将内核拷贝到RAM中。
Bootloader的主要执行过程：

1. 调用BIOS输出"Loading..."
2. 调用BIOS从磁盘装入内核映像的第一个扇区(512B)，从0x00090000装入RAM，并将setup()函数的代码从0x00090200开始装入RAM。
3. 调用一个BIOS从磁盘装入其余内核映像，并把内核映像放入从0x00010000(低装载，适用于make zImage的小内核映像）或0x00100000(高装载，make bzImage的大内核映像）
4. 跳转执行setup()

奴隶社会：setup()

setup()函数有汇编实现放在内核映像文件的偏移量0x200处，bootloader将其装载到0x00090200开始的RAM中。
setup()函数的主要工作是初始化计算机中的硬件设备，并为内核程序的执行建立环境。尽管BIOS已经完成大部分设备的初始化，但是Linux并不依赖与BIOS，而已自己的方式重新初始化设备，以增强可移植性和健壮性。
@TO-DO setup()过程

封建社会：startup_32()

存在两个startup_32函数，setup()的最后是跳转执行的是arch/i386/boot/compressed/head.S中的 startup_32()，此时startup_32已经被移动到0x00100000或0x00001000，对应于高装载或低装载。该函数的主要工作 是解压内核。
解压完的内核映像从arch/i386/kernel/head.S开始执行。该文件中包含另一个startup_32函数。改startup_32为Linux的第一个进程(pid=0)建立执行环境。
@TO-DO startup_32()过程

民国时代：start_kernel()

startup_32函数最后回跳转执行start_kernel()，start_kernel完成内核初始化工作。start_kernel开始执行后会显示"Linux version 2.6.11..."
该函数中最主要的一个步骤是调用kernel_thread()为进程1创建内核线程。这个线程回创建其它线程并执行/sbin/init程序。该程序会在控制台输出初始化信息，直至最后出现登录提示符，或X登录窗口。通知用户内核已启动，正在运行。

新中国：启动脚本

(该部分只适用Redhat系，如RHEL，CentOS，Fedora等，Debian/Ubuntu启动过程与此不同，后期会有分析)

inittab

/sbin/init（进程1）会利用/etc/inittab获取运行级，并根据不同运行级的配置启动不同的服务项目。
inittab配置文件格式

[设置项目]:[run level]:[init的操作行为]:[命令项目]

设置项目:最多4个字符，表示init的主要目的，就是一个名字

run level:该条目的运行级别

init操作行为:

	主要可选值如下：

		initdefault:表示默认的运行级别值

		sysinit:系统初始化操作项目

		ctrlaltdel:表示[ctrl+alt+del

		wait:表示必须等待后面的命令执行完才可以执行后续操作

		respawn:表示后面的操作会重新启动

命令项目:执行该项目的命令，通常为一个脚本命令

系统初始化(rc.sysinit)

inittab中的有个条目是

si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

按上述条目解释，系统初始化时会执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本，该脚本的主要功能如下:
1.获取网络环境与主机名
2.测试与载入内存设备/proc以及USB设备/sys
3.决定是否启动SELinux
4.检测接口设备与即插即用设备参数
5.用户自定义模块加载
6.加载核心的相关设置
7.设置系统时间
8.设置终端控制台字体
9.设置RAID与LVM等硬盘功能
10.fsck检查磁盘文件系统
11.进行磁盘配额quota的转换
12.重新怡可读取模式载入系统磁盘
13.启动quota功能
14.启动系统随机设备（产生随机数）
15.清除启动过程的临时文件
16.将启动相关信息加载到/var/log/dmesg文件中

启动相关运行级服务

inittab中包含

id:3:initdefault:



l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3

第一行表示默认运行级为3，第二行表示第3级运行时以wait方式执行/etc/rc.d/rc 参数为3。
rc脚本的主要功能是调用相应运行级X的配置脚本目录/etc/rcX.d/下的脚本。例如3级时对应的脚本目录是/etc/rc3.d/目录。
脚本目录下的脚本名分为两类：一类是以K开头的，用于kill相应服务；另一类是以S开头的，用于开启相应服务。文件中还包含一个两位数字和服务名。rc脚本负责按照数字有小到大先kill所有服务然后开启所有服务的顺序执行。
每个rcX.d的目录下的脚本都是链接到init.d目录下的脚本的软连接。并且均包含一个S99local->../rc.local，该脚本表示最后执行../rc.local脚本。
rc.local即用户自定义的启动项配置脚本。可以在其中添加想开机启动的命令。比如想自动挂载一个windows下的分区，可以在rc.local中添加

mount -ntfs /dev/sda5 /media/disk5

启动终端

根据inittab中的配置，需要等待/etc/rc 3 运行完成。rc.local时期最后一个脚本。在rc.local执行完之后，继续按照inittab执行

# Run gettys in standard runlevels

1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1

2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2

3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3

4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4

5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5

6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6



# Run xdm in runlevel 5

x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon

该段配置表示在2,3,4,5运行级下执行/sbin/mingetty开启终端，并且执行六次，由此可知为何会有6个纯文本终端。最后的x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon表示在运行级5时开启X Window。