【Linux导论】Linux引导流程(The Boot Process)

原文

LFS101x.2 Introduction to Linux (Linux Foundation)

Chapter 03: Linux Structure and Installation - Section 2: The Boot Process

引导流程 - (The Boot Process)

你是否想过，在你按下电源开关直至Linux登陆提示出现时，后台到底发生了哪些事？

Linux的引导过程是系统初始化的过程。它包含了第一次打开计算机直至用户界面完全运作之间的一切。

一旦你开始使用Linux，你会发现，深入理解系统的引导流程，可以帮助你快速诊断故障，同时也可以帮助你调整计算机性能以满足你的要求。

1.BIOS - The First Step

启动一台基于x86的Linux系统包含很多步骤。当计算机开机后，基本输入输出系统(Basic Input/Output System，BIOS)会初始化硬件，例如显示屏、键盘等等，并且测试主存储器。这个步骤被称为上电自检(Power On Self Test，POST)。

BIOS软件被存储在主板的一块ROM芯片中。在这个步骤之后，剩余的引导流程将会交给操作系统完成。

2.Master Boot Records (MBR) and Boot Loader

一旦完成上电自检(POST)，系统的控制权由BIOS转给引导加载程序(boot loader)。引导加载程序通常存储在系统的其中一个硬盘中，要么在启动扇区(boot sector，对于传统的BIOS/MBR系统)中，要么在EFI分区(EFI partition，对于最近标准的可扩展固件接口，或称为EFI/UEFI系统)中。到这个阶段，机器还不能访问任何大规模存储设备。然后，日期、时间等信息，以及重要的外围设备从CMOS(一项基于电池供电的存储技术，保证系统掉电后仍可以记录日期和时间)中加载至系统。

有许多种适用于Linux的引导加载程序；最常见的是GRUB(用于统一引导加载程序)和ISOLINUX(用于从移动设备中启动)。大多数的Linux引导程序可以提供一个用户界面，用于选择Linux的可选引导项，甚至可以选择其他已安装的操作系统。当引导Linux之时，引导加载程序负责加载内核镜像(kernel image)以及初始RAM磁盘(initial RAM disk，包含一些关键文件和启动系统所需的驱动程序)到内存中。

3.Boot Loader in Action

引导加载程序包含两个不同的阶段：

The First Stage

对于使用BIOS/MBR方式的系统，引导加载程序存放在硬盘的第一个扇区，也被成为主引导记录(Master Boot Record，MBR)。MBR的大小仅仅512字节。在这个阶段，引导加载程序检查分区表，并找到一个可引导分区。一旦它找到了可引导分区，它将搜索第二阶段的引导加载程序，例如GRUB，并且将它加载到随机存储器(Random Access Memory，RAM)中。

对于使用EFI/UEFI方式的系统，UEFI固件读取引导管理器(Boot Manager)数据，以决定哪个UEFI应用启动且从哪启动(从哪个磁盘和分区可以找到EFI分区)。然后这个固件启动这个UEFI应用，例如GRUB，这个UEFI应用被定义为固件引导管理器的引导入口。这个过程更为复杂，但是比以往MBR方式更为灵活。

The Second Stage

第二阶段的引导加载程序位于 /boot 目录下。一个显示画面会出现，让我们选择引导哪个操作系统(Operating System，OS)。在选择完OS之后，引导加载程序加载选定操作系统的内核到RAM，然后将控制权交给它。

引导程序加载了选定的内核镜像(如果是Linux)并将控制权给它之后。内核几乎总是被压缩的，所以它的第一件事就是解压内核文件。然后，它会检查并分析系统硬件，并初始化内核中存在的所有硬件设备驱动。

4.Linux Kernel

引导程序将内核和一个基于RAM的初始文件系统(initramfs)加载到内存，使得initramfs可以被内核直接使用。

当内核在RAM中加载完毕，它会立刻初始化并配置计算机内存，同时也配置所有的系统硬件。这包括所有的处理器、I/O子系统、存储设备等等。内核同时也加载一些必要的用户空间程序。

5.初始RAM磁盘

initramfs文件系统镜像包含程序文件和二进制文件，这些文件可以完成挂载root文件系统所需的所有操作。比如，给所需的文件系统提供内核功能，给大容量存储控制器提供设备驱动udev(为用户设备)，这些驱动负责找出哪些设备可用，定位这些设备正常工作所需的驱动，并且加载它们。当找到root文件系统之后，检测是否有错，并挂载文件系统。

挂载(mount)程序会指示操作系统，文件系统已经可用，并将文件系统全局层次的一个特定点与之关联，这个点称为挂载点(themount point)。如果操作成功，initramfs将会从RAM中清除，然后root文件系统下(/sbin/init)的init程序将会执行。

init程序处理挂载和跳转到最终实际的root文件系统。如果在大容量存储器可以访问之前，需要一些特殊的硬件驱动，这些驱动必须包含在initramfs镜像中。

6./sbin/init 和服务

一旦内核设置完所有的硬件并挂载root文件系统，内核执行 /sbin/init程序。然后，这变成了初始化进程，然后开始其他进程以使得系统运转。大多数系统上的进程，追其来源，都来自与init；例外的是内核进程，内核进程直接由内核启动，管理操作系统的内部细节。

传统上，这个进程启动所使用的约定，可以追溯到System V UNIX时期，系统运行是通过一系列的运行等级(runlevel)和一系列启动/停止服务的脚本来完成的。每个运行等级支持运行系统的不同模式。在每个运行等级，个人服务可以设置开始运行，或者停止运行。更新的发行版本抛弃了System V约定，但是通常为了兼容性仍支持System V约定。

除了启动系统，init还要负责保持系统运行或完全关闭系统。它扮演了所有非内核进程“最终管理者”的角色。当必要时会在进程结束后清理它们，当用户需要登陆/登出时会重启用户登录服务。

7.Text-Mode Login

在引导进程接近结束之时，init启动了一系列文本模式登陆提示(通过一个叫做getty的程序)。这使得你能够输入自己的用户名，密码，并最终进入命令shell界面。

通常，这个命令shell叫做bash(the GNUBourne Again Shell)，但是也存在很多其他高级的命令shell可用。shell会打印出一个文本提示，表明已经准备好接受命令；当用户输入命令并敲击Enter键之后，命令会被执行，然后另一个文本提示会在命令执行后显示。

就如你在Command Line Operations章节所学到的那样，运行命令shell的终端可以通过ALT加功能键(functionkey)访问。大多数发行版本从F1或者F2开始，开启6个文本终端和一个图形终端。如果图形终端也启动了，那么切换至文本终端需要按CTRL+ALT再加上相应的功能键(F1或者F7是GUI)。如你接下来将简要看到的，如果你在一个纯文本模式，想要打开或重启图形桌面，需要运行startx命令。

8.X Window System

通常，在Linux桌面系统中，加载X Window System是引导进程的最后一步。

一个叫做显示管理器(display manager)的服务会被提供，用于保持显示追踪，并加载X Server(之所以这么叫它，是因为它给应用程序提供图形服务，有时也称为X clients)。这个显示管理器也负责图形登陆，在用户登录后打开特定的桌面环境。

9.More About the X Window System

一个桌面环境包括会话管理器(session manager，启动并保持图形会话组件)，窗口管理器(the window manager，控制窗口、窗口标题栏、控制栏的放置和移动)。

尽管可以被混合，通常一系列工具、会话管理器和窗口管理器是作为一个整体使用，一起提供一个无缝的桌面环境。

如果显示管理器并不是以默认的运行等级启动，你可以以一种不同的方式启动X：在登陆进入文本模式终端后，通过在命令行运行startx命令开启X。