Linux 引導過程內幕Linux 引導過程內幕

引導 Linux 系統的過程包括很多階段。不管您是引導一個標準的 x86 案頭系統，還是引導一台嵌入式的 PowerPC 機器，很多流程都驚人地相似。本文將探索 Linux 的引導過程，從最初的引導到啟動第一個使用者空間應用程式。在本文介紹的過程中，您將學習到各種與引導有關的主題，例如引導載入程式、核心解壓、初始 RAM 磁碟以及 Linux 引導的其他一些元素。

早期時，啟動一台電腦意味著要給電腦喂一條包含引導程式的紙帶，或者手工使用前端面板地址/資料/控制開關來載入引導程式。儘管目前的電腦已經裝備了很多工具來簡化引導過程，但是這一切並沒有對整個過程進行必要的簡化。

讓我們先從進階的視角來查看 Linux 引導過程，這樣就可以看到整個過程的全貌了。然後將回顧一下在各個步驟到底發生了什麼。在整個過程中，參考一下核心原始碼可以協助我們更好地瞭解核心原始碼樹，並在以後對其進行深入分析。

概述

圖 1 是我們在 20,000 英尺的高度看到的視圖。

圖 1. Linux 引導過程在 20,000 英尺處的視圖

當系統首次引導時，或系統被重設時，處理器會執行一個位於已知位置處的代碼。在個人電腦（PC）中，這個位置在基本輸入/輸出系統（BIOS） 中，它儲存在主板上的快閃記憶體中。嵌入式系統中的中央處理單元（CPU）會調用這個重設向量來啟動一個位於快閃記憶體/ROM 中的已知地址處的程式。在這兩種情況下，結果都是相同的。因為 PC 提供了很多靈活性，BIOS 必須確定要使用哪個裝置來引導系統。稍後我們將詳細介紹這個過程。

當找到一個引導裝置之後，第一階段的引導載入程式就被裝入 RAM 並執行。這個引導載入程式在大小上小於 512 位元組（一個扇區），其作用是載入第二階段的引導載入程式。

當第二階段的引導載入程式被裝入 RAM 並執行時，通常會顯示一個動畫螢幕，並將 Linux 和一個可選的初始 RAM 磁碟（臨時根檔案系統）載入到記憶體中。在載入映像時，第二階段的引導載入程式就會將控制權交給核心映像，然後核心就可以進行解壓和初始化了。在這個階段 中，第二階段的引導載入程式會檢測系統硬體、枚舉系統連結的硬體裝置、掛載根裝置，然後載入必要的核心模組。完成這些操作之後啟動第一個使用者空間程式（init），並執行進階系統初始化工作。

這就是 Linux 引導的整個過程。現在讓我們深入挖掘一下這個過程，並深入研究一下 Linux 引導過程的一些詳細資料。

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系統啟動

系統啟動階段依賴於引導 Linux 系統上的硬體。在嵌入式平台中，當系統加電或重設時，會使用一個啟動環境。這方面的例子包括 U-Boot、RedBoot 和 Lucent 的 MicroMonitor。嵌入式平台通常都是與引導監視器搭配銷售的。這些程式位於目標硬體上的快閃記憶體中的某一段特殊地區，它們提供了將 Linux 核心映像下載到快閃記憶體並繼續執行的方法。除了可以儲存並引導 Linux 映像之外，這些引導監視器還執行一定層級的系統測試和硬體初始化過程。在嵌入式平台中，這些引導監視器通常會涉及第一階段和第二階段的引導載入程式。

提取 MBR 的資訊 要查看 MBR 的內容，請使用下面的命令： # dd if=/dev/hda of=mbr.bin bs=512 count=1 # od -xa mbr.bin 這個 dd 命令需要以 root 使用者的身份運行，它從 /dev/hda（第一個 IDE 盤） 上讀取前 512 個位元組的內容，並將其寫入 mbr.bin 檔案中。od 命令會以十六進位和 ASCII 碼格式列印這個二進位檔案的內容。

在 PC 中，引導 Linux 是從 BIOS 中的地址 0xFFFF0 處開始的。BIOS 的第一個步驟是加電自檢（POST）。POST 的工作是對硬體進行檢測。BIOS 的第二個步驟是進行本地裝置的枚舉和初始化。

給定 BIOS 功能的不同用法之後，BIOS 由兩部分組成：POST 代碼和運行時服務。當 POST 完成之後，它被從記憶體中清理了出來，但是 BIOS 運行時服務依然保留在記憶體中，目標作業系統可以使用這些服務。

要引導一個作業系統，BIOS 運行時會按照 CMOS 的設定定義的順序來搜尋處於活動狀態並且可以引導的裝置。引導裝置可以是磁碟片、CD-ROM、硬碟上的某個分區、網路上的某個裝置，甚至是 USB 快閃記憶體。

通常，Linux 都是從硬碟上引導的，其中主引導記錄（MBR）中包含主引導載入程式。MBR 是一個 512 位元組大小的扇區，位於磁碟上的第一個扇區中（0 道 0 柱面 1 扇區）。當 MBR 被載入到 RAM 中之後，BIOS 就會將控制權交給 MBR。

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第一階段引導載入程式

MBR 中的主引導載入程式是一個 512 位元組大小的映像，其中包含程式碼和一個小分區表（參見圖 2）。前 446 個位元組是主引導載入程式，其中包含可執行代碼和錯誤訊息文本。接下來的 64 個位元組是分區表，其中包含 4 個分區的記錄（每個記錄的大小是 16 個位元組）。MBR 以兩個特殊數位位元組（0xAA55）結束。這個數字會用來進行 MBR 的有效性檢查。

圖 2. MBR 剖析

主引導載入程式的工作是尋找並載入次引導載入程式（第二階段）。它是通過在分區表中尋找一個使用中的磁碟分割來實現這種功能的。當找到一個使用中的磁碟分割時，它會 掃描分區表中的其他分區，以確保它們都不是活動的。當這個過程驗證完成之後，就將使用中的磁碟分割的引導記錄從這個裝置中讀入 RAM 中並執行它。

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第二階段引導載入程式

次引導載入程式（第二階段引導載入程式）可以更形象地稱為核心載入程式。這個階段的任務是載入 Linux 核心和可選的初始 RAM 磁碟。

GRUB 階段引導載入程式 /boot/grub 目錄中包含了 stage1、stage1.5 和 stage2 引導載入程式，以及很多其他載入程式（例如，CR-ROM 使用的是 iso9660_stage_1_5）。

在 x86 PC 環境中，第一階段和第二階段的引導載入程式一起稱為 Linux Loader（LILO）或 GRand Unified Bootloader（GRUB）。由於 LILO 有一些缺點，而 GRUB 克服了這些缺點，因此下面讓我們就來看一下 GRUB。（有關 GRUB、LILO 和相關主題的更多內容，請參閱本文後面的 參考資料 部分的內容。）

關於 GRUB，很好的一件事情是它包含了有關 Linux 檔案系統的知識。GRUB 不像 LILO 一樣使用裸扇區，而是可以從 ext2 或 ext3 檔案系統中載入 Linux 核心。它是通過將兩階段的引導載入程式轉換成三階段的引導載入程式來實現這項功能的。階段 1 （MBR）引導了一個階段 1.5 的引導載入程式，它可以理解包含 Linux 核心映像的特殊檔案系統。這方面的例子包括 reiserfs_stage1_5（要從 Reiser 記錄檔系統上進行載入）或 e2fs_stage1_5（要從 ext2 或 ext3 檔案系統上進行載入）。當階段 1.5 的引導載入程式被載入並運行時，階段 2 的引導載入程式就可以進行載入了。

當階段 2 載入之後，GRUB 就可以在請求時顯示可用核心列表（在 /etc/grub.conf 中進行定義，同時還有幾個軟符號連結 /etc/grub/menu.lst 和 /etc/grub.conf）。我們可以選擇核心甚至修改附加核心參數。另外，我們也可以使用一個命令列的 shell 對引導過程進行進階手工控制。

將第二階段的引導載入程式載入到記憶體中之後，就可以對檔案系統進行查詢了，並將預設的核心映像和 initrd 映像載入到記憶體中。當這些映像檔案準備好之後，階段 2 的引導載入程式就可以調用核心映像了。

核心

GRUB 中的手工引導 在 GRUB 命令列中，我們可以使用 initrd 映像引導一個特定的核心，方法如下： grub> kernel /bzImage-2.6.14.2 [Linux-bzImage, setup=0x1400, size=0x29672e] grub> initrd /initrd-2.6.14.2.img [Linux-initrd @ 0x5f13000, 0xcc199 bytes] grub> boot Uncompressing Linux... Ok, booting the kernel. 如果您不知道要引導的核心的名稱，只需使用斜線（/）然後按下 Tab 鍵即可。GRUB 會顯示核心和 initrd 映像列表。

當核心映像被載入到記憶體中，並且階段 2 的引導載入程式釋放控制權之後，核心階段就開始了。核心映像並不是一個可執行檔核心，而是一個壓縮過的核心映像。通常它是一個 zImage（壓縮映像，小於 512KB）或一個 bzImage（較大的壓縮映像，大於 512KB），它是提前使用 zlib 進行壓縮過的。在這個核心映像前面是一個常式，它實現少量硬體設定，並對核心映像中包含的核心進行解壓，然後將其放入高端記憶體中，如果有初始 RAM 磁碟映像，就會將它移動到記憶體中，並標明以後使用。然後該常式會調用核心，並開始啟動核心引導的過程。

當 bzImage（用於 i386 映像）被調用時，我們從 ./arch/i386/boot/head.S 的 start 彙編常式開始執行（主要流程圖請參看圖 3）。這個常式會執行一些基本的硬體設定，並調用 ./arch/i386/boot/compressed/head.S 中的 startup_32 常式。此常式會設定一個基本的環境（堆棧等），並清除 Block Started by Symbol（BSS）。然後調用一個叫做 decompress_kernel 的 C 函數（在 ./arch/i386/boot/compressed/misc.c 中）來解壓核心。當核心被解壓到記憶體中之後，就可以調用它了。這是另外一個 startup_32 函數，但是這個函數在 ./arch/i386/kernel/head.S 中。

在這個新的 startup_32 函數（也稱為清除程式或進程 0）中，會對頁表進行初始化，並啟用記憶體分頁功能。然後會為任何可選的浮點單位（FPU）檢測 CPU 的類型，並將其儲存起來供以後使用。然後調用 start_kernel 函數（在 init/main.c 中），它會將您帶入與體繫結構無關的 Linux 核心部分。實際上，這就是 Linux 核心的 main 函數。

圖 3. Linux 核心 i386 引導的主要函數流程

通過調用 start_kernel，會調用一系列初始化函數來設定中斷，執行進一步的記憶體配置，並載入初始 RAM 磁碟。最後，要調用 kernel_thread（在 arch/i386/kernel/process.c 中）來啟動 init 函數，這是第一個使用者空間進程（user-space process）。最後，啟動空任務，現在調度器就可以接管控制權了（在調用 cpu_idle 之後）。通過啟用中斷，搶佔式的調度器就可以周期性地接管控制權，從而提供多任務處理能力。

在核心引導過程中，初始 RAM 磁碟（initrd）是由階段 2 引導載入程式載入到記憶體中的，它會被複製到 RAM 中並掛載到系統上。這個 initrd 會作為 RAM 中的臨時根檔案系統使用，並允許核心在沒有掛載任何物理磁碟的情況下完整地實現引導。由於與外圍裝置進行互動所需要的模組可能是 initrd 的一部分，因此核心可以非常小，但是仍然需要支援大量可能的硬體設定。在核心引導之後，就可以正式裝備根檔案系統了（通過 pivot_root）：此時會將 initrd 根檔案系統卸載掉，並掛載真正的根檔案系統。

decompress_kernel 輸出 函數 decompress_kernel 就是顯示我們通常看到的解壓訊息的地方： Uncompressing Linux... Ok, booting the kernel.

initrd 函數讓我們可以建立一個小型的 Linux 核心，其中包括作為可載入模組編譯的驅動程式。這些可載入的模組為核心提供了訪問磁碟和磁碟上的檔案系統的方法，並為其他硬體提供了驅動程式。由於根檔案系統是磁碟上的一個檔案系統，因此 initrd 函數會提供一種啟動方法來獲得對磁碟的訪問，並掛載真正的根檔案系統。在一個沒有硬碟的嵌入式環境中，initrd 可以是最終的根檔案系統，或者也可以通過網路檔案系統（NFS）來掛載最終的根檔案系統。

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Init

當核心被引導並進行初始化之後，核心就可以啟動自己的第一個使用者空間應用程式了。這是第一個調用的使用標準 C 庫編譯的程式。在此之前，還沒有執行任何標準的 C 應用程式。

在案頭 Linux 系統上，第一個啟動的程式通常是 /sbin/init。但是這不是一定的。很少有嵌入式系統會需要使用 init 所提供的豐富初始化功能（這是通過 /etc/inittab 進行配置的）。在很多情況下，我們可以調用一個簡單的 shell 指令碼來啟動必需的嵌入式應用程式。

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結束語

與 Linux 本身非常類似，Linux 的引導過程也非常靈活，可以支援眾多的處理器和硬體平台。最初，載入引導載入程式提供了一種簡單的方法，不用任何花架子就可以引導 Linux。LILO 引導載入程式對引導能力進行了擴充，但是它卻缺少檔案系統的感知能力。最新一代的引導載入程式，例如 GRUB，允許 Linux 從一些檔案系統（從 Minix 到 Reise）上進行引導。

參考資料

學習

• 您可以參閱本文在 developerWorks 全球網站上的 英文原文 。

• Boot Records Revealed 是有關 MBR 和各種引導載入程式很好的資源。這個資源不僅僅是有關 MBR 的資料的彙編，還討論了 GRUB、LILO 和各種 Windows 引導載入程式的問題。
• 請查看 Disk Geometry 頁面來理解磁碟及其結構。您會發現有關磁碟的有用屬性。
• live CD 是一個可以從 CD 或 DVD 上引導的作業系統，它不需要使用硬碟。
• “引導載入程式之爭：瞭解 LILO 和 GRUB”（developerWorks，2005 年 8 月）詳細介紹了 LILO 和 GRUB 引導載入程式。
• 在 developerWorks 上的 LPI 考試準備 系列教程中，我們可以學習有關引導 Linux 系統的詳細介紹，以及在準備參加系統管理員認證考試時需要準備的 Linux 基礎知識。
• LILO 是 GRUB 的先驅，但是我們可能發現它依然可以引導 Linux。
• mkintrd 命令用來建立初始的 RAM 磁碟映像。這個命令可以用來構建初始的根檔案系統，它可以用來引導允許提前載入訪問真正根檔案系統所需要的塊裝置的配置。
• 在 Debian Linux Kernel Project 中，我們可以找到更多有關 Linux 核心、引導和嵌入式開發的資訊。
• 在 developerWorks Linux 專區 中可以找到為 Linux 開發人員準備的更多資源。
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