linux 啟動全接觸

關於Windows啟動過程介紹的文章可謂多如牛毛，而對於Linux的介紹卻是鳳毛麟角。凡是曾經使用過Linux的使用者可能都會注意到，當電腦啟動時，螢幕上會出現很多資訊。一般情況下，這些資訊我們可以通過以下的命令看到：

cat /var/log/dmesg | more

這些資訊究竟有什麼含義？這個問題看起來似乎很容易回答，因為只要在Linux參考書裡尋找一下，就會找出一個類似於這樣的答案：“這是一些核心啟動資訊……”。但是“核心啟動資訊”到底是什麼意思呢？

要想對Linux內部工作有所瞭解，就必須要對Linux核心的體繫結構有一個全面的瞭解。下面我們就去揭開它的秘密。在此，我不想解釋Linux核心的體繫結構，只想解釋（或者說是試圖去解釋）電腦系統啟動進程中一些最基本的概念。這裡所說的啟動過程是指從按下開關到提示符出現的整個過程。

啟動指的是什麼

在作業系統的詞彙裡，啟動是指通過處理器執行一些指令，把作業系統的一部分放入到主存中。在啟動過程中，Linux內部的資料結構會被初始化，會被賦給一些初始值，並且某些進程會被建立。因為當電腦電源開啟時，所有的硬體裝置都處於一種不可預知的狀態，記憶體也處於一種不活動的隨機狀態，所以，電腦的啟動過程可以說是一個長且複雜的任務。因此，我們必須知道，之所以叫“啟動”主要是因為電腦體繫結構的原因。

在此提請讀者注意：

1.對電腦內部的工作和核心的操作有一個基本的瞭解，對自己非常有益。

2.這篇文章中提到的所有檔案，指的都是Linux核心2.4.2-2版本裡的檔案。這些檔案對於所有的Linux核心來說都是相同的，並且可以在任何一個Linux系統裡找到它們，此處我使用的是Red Hat 7.1。

3.在本文裡，討論範圍限於IBM PC體繫結構。

BIOS及其功能

當電腦開啟電源時，記憶體裡包含的是一些隨機的資料，所有的東西都沒有被初始化，作業系統也沒有被載入。開始整個啟動過程的是一個特殊的硬體電路，它觸發CPU的Reset腳的邏輯值。然後，一些CPU的寄存器比如CS（一個分段寄存器：程式碼片段寄存器，它指向含有程式指令的段），eip（在執行指令過程中，當CPU檢測到一個意外事故發生時，它會做出三種類型的判斷：錯誤、陷阱、中止，這取決於eip寄存器的值，它儲存在核心模組棧裡）就會被給定一個值。接著，物理地址為0xfffffff0的代碼將被執行。這個地址被儲存在一個唯讀記憶體（ROM）裡。BIOS（基本輸入/輸出系統）實際上是一段儲存在ROM裡的程式。它包含了一系列可以被某些作業系統調用，用於處理電腦各種硬體裝置的中斷驅動和低級程式。其中微軟的DOS就是這樣的一種作業系統。

Linux是否使用附於電腦系統的BIOS來初始化硬體裝置？或者說，是否有其它的東西來完成同樣的任務？不過這個問題沒有那麼簡單，必須要瞭解一些知識。我們從80386模式開始。Intel微處理器實現地址翻譯（從邏輯地址->線性地址->物理地址）有兩種不同的途徑，分別稱作實模式和保護模式。實模式存在主要是為了使得處理器可以和較老的處理相相容。事實上，所有的BIOS程式都是在實模式下啟動並執行。但是，Linux核心是在保護模式下運行，而不是在實模式下。因此，一旦初始化完成後，Linux就不再使用BIOS，而是完全由自己來為電腦上的所有硬體提供驅動程式（這點和DOS是不一樣的）。

那麼什麼時候Linux使用保護模式？為什麼BIOS不能使用相同的模式？BIOS使用實模式是因為其在操作過程中使用的是實模式地址，並且在電腦剛開啟電源時，只有實模式地址可用。一個實模式地址由段地址和位移地址組成，因此，相應的物理地址就為段地址×（2×8）+位移。

那麼，這是不是意味著在整個啟動過程中，Linux就從來不使用BIOS了呢？答案是否定的。在啟動階段，Linux從硬碟或者其它外部裝置載入核心時，需要使用BIOS。

讓我們來看一下啟動時BIOS主要做了哪些操作：

1.BIOS要對硬體進行一系列徹底的檢測。這個步驟主要是檢查系統安裝有哪些裝置,以及它們工作是否正常。通常把這個步驟叫做自檢（Power-On Self-Test,POST），這時會顯示版本及其它很多相關的硬體資訊。

2.BIOS要對硬體進行初始化。這一步非常重要，因為它要保證所有的硬體裝置在IRQ（插斷要求）和I/O連接埠操作時都沒有衝突。等這步完成以後，它會顯示一個已經安裝的PCI裝置表。

3.接著到了作業系統，BIOS將尋找一個可以引導的作業系統。這取決於BIOS的設定，它可以從磁碟片、硬碟或者光碟片啟動。

4.一旦發現一個合法的裝置，BIOS就會把其第一扇區的內容複寫到物理地址，即從0x00007c00開始的記憶體中，然後跳至剛載入的地址並執行之。

到此為止，BIOS所要做的工作就全部完成了。

自舉程式及其功用

BIOS調用一個專門的程式，這個程式的任務就是把作業系統的核心調入記憶體。這個程式就叫做自舉程式（Boot Loader）。在我們繼續下面內容之前，先來看一下啟動系統的不同途徑。

1.從磁碟片啟動Linux

從磁碟片啟動時，儲存在磁碟片第一扇區的指令將被載入並執行。這個指令然後就會把其餘的核心複製到記憶體中。

Linux核心可以裝在1.44MB的磁碟片裡，不過為了減少磁碟佔用量，它們都進行了壓縮。這個壓縮過程是在編譯時間完成的，而解壓縮的過程則由自舉程式完成。

從磁碟片啟動Linux時，自舉程式要做的工作非常簡單。它是一個位於/usr/src/linux-2.4.2/arch/i386/boot/bootsect.S的組合語言檔案。當我們編譯Linux核心原始碼，或者擷取一個新的核心時，這個可執行檔彙編代碼就會被放在核心程式的前端。由此可見，要製作一個可開機Linux磁碟片其實很簡單。我們只要從磁碟的第一個扇區拷貝Linux核心，就可以建立一個可啟動磁碟片。當BIOS載入磁碟片的第一個扇區時，它實際上拷貝的是自舉程式。自舉程式由BIOS調用（跳到物理地址為0x00007c00的位置），然後執行以下的操作：

(1)把自已從地址0x00007c00移動到0x00090000；

(2)使用地址0x00003ff4，建立“實模式”棧；

(3)設定磁碟參數表，這裡使用的是BIOS提供的磁碟片驅動程式；

(4)通過調用BIOS程式顯示“Loading”資訊；

(5)自舉程式調用BIOS程式來載入磁碟片上核心的setup()函數，並把它放在起始地址為0x00090200的記憶體中；

(6)接下來自舉程式調用一個BIOS程式，這個程式從磁碟片載入剩餘的核心程式，並將其放入起始地址為0x00010000（所謂的低地址）或者0x00100000（所謂的高地址）；

(7)然後，跳轉到setup()函數。

2.從硬碟啟動Linux

當系統從硬碟啟動時，啟動過程又有所不同。硬碟的第一個扇區叫做MBR（Master Boot Record），其上儲存著分區表和一個小程式。這個程式載入儲存由作業系統的第一扇區來開始啟動。Linux是一個高度靈活且非常優秀的軟體，所以在MBR裡，它使用一個叫做LILO的程式來代替上述的那個程式。LILO允許使用者選擇所要啟動的作業系統。

一般來說，Linux是從硬碟啟動的。這就需要不同的自舉程式。在Intel系統裡，用得最多的自舉程式就是LILO。對於其它的體繫結構，還存在著別的自舉程式。LILO可以安裝在MBR上（請注意：在安裝Red Hat Linux時，有一個步驟會讓使用者選擇把LILO安裝到MBR或者開機磁區）或一個使用中的磁碟分割的開機磁區上。

由於LILO太大，MBR無法容納，所以它被分成兩部分。MBR（或者磁碟分割的開機磁區）包含有一個小的自舉程式，它被BIOS載入到起始地址為0x00007c00的記憶體中。然後，這個小程式再把自己移到0x0009a000地址處，接著設定實模式棧，最後載入第二部分的LILO自舉程式（請注意：實模式棧位址範圍是0x0009b000 到 0x0009a200）。

第二部分的LILO會從磁碟讀取所有可用的作業系統，並且給使用者列出，以選擇所要啟動的系統。一旦使用者選擇完成，自舉程式就會載入相應的扇區內容到記憶體中並且執行之。

自舉程式被BIOS調用時（跳到物理地址為0x00007c00處），要執行以下操作：

(1)把自已從地址0x00007c00移動到0x00090000；

(2)使用地址0x00003ff4，建立“實模式”棧；

(3)設定磁碟參數表。這裡使用的是BIOS提供的磁碟片驅動程式；

(4)通過調用BIOS程式顯示“Loading Linux”資訊；

(5)自舉程式調用BIOS程式來載入磁碟片上核心的setup()函數，並把它放在起始地址為0x00090200的記憶體中；

(6)接下來自舉程式調用一個BIOS程式，這個程式從磁碟片載入剩餘的核心程式，並將其放入起始地址為0x00010000或者0x00100000；

(7)然後，跳轉到setup()函數。