Linux Boot Process 分析與研究__Linux

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Linux Boot Process 分析與研究                         作者： 錢國正 （淮陰師範學院）   對於linux的研究正在緊鑼密鼓的進行著，源於對系統啟動的興趣，開始對其啟動過程全面的分析，建立在以前玩過Linux的基礎上，知道Linux啟動時有GRUB可以選擇想要啟動的系統，開始進行啟動深入剖析。大家不要擔心，即使您對電腦的啟動過程一無所知也可以看下面的文章。   當我們按下開機電源開關的時候，系統就在啟動的過程中了，相信使用過Windows的人或多或少的都對其啟動速度有些意見，但是對它的啟動過程卻一無所知，這就讓人很鬱悶，呵呵，不急，下面進入本文。所有的電腦開機時都會有BIOS（Basic Input and Output System）對電腦進行自檢，如記憶體測試等，並對本地裝置進行枚舉和初始化工作，接下來搜尋BIOS中設定的處於活動狀態並且可以引導的啟動裝置。通常情況下，Linux系統是從硬碟（也可以從CD，DVD，USB等）引導的，硬碟的開機磁區在每個分區中都存在，但是主開機磁區只有一個並位於第一個物理扇區。主開機磁區包含主引導記錄（MBR）和硬碟分區表(DPT)。硬碟的主開機磁區中包含了主引導記錄(MBR)的引導載入程式。此時BIOS將控制權交給MBR。Windows作業系統在這一步與Linux相同。   主開機磁區大小為512B，包含MBR程式碼，分區表DPT（64KB）以及結束標誌（AA55）。MBR中包含了關於GRUB（或者早期的LILO）資訊。MBR載入並執行GRUB(Grand Unified Bootloader) boot loader。下面的事情就由GRUB boot loader來控制執行了。   在Windows中MBR直接引導Windows作業系統，如果有兩個版本的Windows系統，要先安裝低版本的，否則只能進入一個作業系統!簡單的說就是，Windows只認自己人，別的都不認，足見其霸道之處，所以如果要安裝雙系統如Windows和Linux要先安裝Windows,然後安裝Linux系統。現在回到GRUB，GRUB載入後基本上就完成了大部分工作了。BIOS與MBR都是硬體上的東東，咱不太熟悉，到了GRUB咱就可以對其代碼進行分析了，由於篇幅限制，這裡就不贅述了，其原始碼大家可以到www.sourceforge.org下載。GRUB的工作是顯示一個啟動畫面，如果你不輸入或者選擇，它將啟動預設選擇的作業系統（Ubuntu中如果想修改啟動選項可以修改/boot/grub/grub.cfg，慎用。。。），其還可以識別檔案系統，下面'Ubuntu, with Linux 2.6.32-27-generic'是系統啟動所顯示的預設選項### BEGIN /etc/grub.d/10_linux ###menuentry 'Ubuntu, with Linux 2.6.32-27-generic' --class ubuntu --class gnu-linux --class gnu --class os {        recordfail        insmod ext2        set root='(hd0,10)'        search --no-floppy --fs-uuid --set e36d89d9-ad79-467d-8acf-fadef717c6b7        linux   /boot/vmlinuz-2.6.32-27-generic root=UUID=e36d89d9-ad79-467d-8acf-fadef717c6b7 ro  splash vga=758  quiet splash        initrd  /boot/initrd.img-2.6.32-27-generic}。由於咱側重的是Linux的啟動過程，下面介紹下Linux下的一個被成組自舉引導的程式（bootsect-loader）,在Linux源碼樹中的arch/i386/boot/bootsect.S,其為CPU實模式下的組譯工具，為了方便分析，對其源碼進行簡單介紹。SETUPSECTS=4               //安裝時的預設值BOOTSEG   =0x07C0          //引導時的原始地址INITSEC   =DEF_INITSEG     //移動引導程式SETUPSEG  =DEF_SETUPSEG    //從這裡開始安裝SYSSEG    =DEF_SYSSEG      //系統裝載SYSSIZE   =DEF_SYSSIZE     //系統大小在include/asm-i386/boot.h中的宏定義#define DEF_INITSEG    0x9000#define DEF_SYSSEG     0x1000#define DEF_SETUPSEG   0x9020#define DEF_SYSSIZE    0x7F00以下這段初學者可以略過（摘自《Linux系統分析與實踐》）。    bootsect.S在核心編譯時間產生bootsect模組，在整個核心鏡像檔案的最前面。當電腦啟動時先進入實模式，首先執行位於0xffff0這個地址的程式碼，這個地址實際上是映射到電腦ROM BIOS地址，也就是說首先執行BIOS的代碼，執行某些檢測，在地址0x0000位置設定中斷向量表，並把第一個扇區讀入到記憶體絕對位址0x7c00這個位置。bootsect的代碼就位於第一扇區，所以跳到這個位置執行。bootsect將自己移動到0x90000,並把setup模組搬運到0x90200這個位置,bootsect執行完後，執行setup模組。在setup執行過程中，完成必要設定，並把system搬移到0x10000這個位置。但system前面的head部分執行完畢後，然後把system搬運到0x0000的地址以後，system模組中代碼地址就等於物理地址，這樣便於對核心操作，之所以不在開始的時候直接把system模組搬運到0x0000的位置是因為，當setup模組沒有執行完畢的時候，0x0000這個位置還存放這BIOS的資訊和一些中斷向量表。如果開始就搬運就會把這些內容覆蓋掉而出錯。    setup.S的主要功能就是將系統參數（包括記憶體、磁碟等，由BIOS返回）複製到0x90000~0x901FF記憶體中。這個位置原本是bootsect.S被存放的位置，這時它將被系統參數覆蓋。以後這些參數將由保護模式下的代碼來讀取。除此之外，setup.S還將video.S中的程式碼封裝含進來，檢測和設定顯示器和顯示模式。最後，setup.S將系統轉換到保護模式，並跳轉到0x100000的核心引導代碼，Bootloader將控制權移交系統核心。    Kernel負責載入根檔案系統，執行/sbin/init中的程式，以及一些驅動程式。其由head.S開始執行初始地址為0x100000,主要完成一些初始化工作，清除BSS，複製啟動參數，初始化寄存器，初始化GDT和IDT等，然後執行start_kernel()。    Init為Linux的核心線程，完成外設的初始化工作，包括SMP（），以及調用do_basic_setup()完成外設及驅動的加在和初始化。    至此，Linux已經啟動完畢，雖然寫了這麼多，但是其速度快的驚人阿，只有不到30秒的時間，哈哈，快的可以達到10多秒，比Windows可好多啦。