Linux的啟動過程詳解

Linux的啟動流程(/etc/inittab)

　　1. 從BIOS到KERNEL

　　BIOS自檢－>MBR(GRUB)－>KERNEL－>KERNEL自解壓－>核心初始化－>核心啟動

　　BIOS自檢

　　當電腦開機的時候，電腦會進入BIOS，BIOS的工作主要是偵測電腦的周邊配套裝置是否工作正常，如CPU的類型、速度、緩衝等

　　主板類型

　　記憶體的速度，容量

　　硬碟的大小，類型和工作模式

　　風扇速度等

　　主要是為了檢查這些裝置在開機的時候是否能通過檢測，如果能通過檢測，說明電腦可以正常的工作。

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　　一、載入啟動程式

　　BIOS自檢完成後，BIOS會根據使用者佈建的啟動順序來由那個裝置來啟動電腦的作業系統，這個裝置一般是硬碟。

　　也就是進入到硬碟的MBR地區（開機磁區），這個地區中的有512個位元組的大小，其中前446個位元組中儲存的程式是選擇開機磁碟分割，也就是電腦由 那個硬碟分區來載入開機的程式。那麼在這個446個位元組的空間中儲存的就是啟動程式，然後由這個小程式來載入儲存在其他位置的作業系統，也就是啟動 grub程式。

　　當找到啟動裝置（硬碟）時，第一階段所用的boot loader（存放在開機磁區）被裝載到RAM中並被執行。這裡的boot loader在大小上小於一個扇區的大小，也就是512位元組，而它的任務，就是載入第二階段的boot loader。

　　當負責第二階段的boot loader位於記憶體中並被執行時，通常會顯示一個一閃而過的螢幕，然後linux以及可選的初始化記憶體盤（一種臨時的根檔案系統，如果想得到具體的介 紹，請訪問http://likunarmstrong.bokee.com/5502266.html)會被裝載到儲存空間中。當系統鏡像被載入時，第二 階段的boot loader將把控制權轉交給核心鏡像，與此同時，核心開始自解壓並初始化。在這個階段，第二階段的boot loader會檢查系統的硬體，枚舉那些附加的硬體裝置，掛載根裝置，之後載入需要的核心模組。完成之後，第一個使用者空間程式（init）開始執行，更高 層次的系統初始化開始。

　　這就是從表面上看，linux的啟動過程。好了，現在，讓我們更進一步，更深入地探索linux啟動過程中的一些細節。

　　二、 系統的啟動

　　系統啟動的階段，依賴於linux在哪個硬體裝置上啟動。在嵌入式系統中，當系統被開啟或者重新啟動的時候，就要使用啟動載入的環境。這方面的 例子包括U -BOOT，RedBoot，和Lucent推出的MicroMonitor。嵌入式平台通常是綁定了啟動監視器的。這些程式位於目標硬體上flash存 儲器的特定位置，提供了將linux核心鏡像下載到flash儲存空間的方法，並在接下來的過程中執行它。除了擁有儲存和啟動linux鏡像的功能外，這些 啟動監視器還能進行一定程度上的系統檢測和硬體初始化。在一個嵌入式的目標板中，這些啟動監視器通常覆蓋了第一階段與第二階段boot loader的功能。

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　　小知識：如何查看你的MBR內容。如果你希望查看你MBR的具體內容，請用以下命令：

　　# dd if=/dev/hda of=mbr.bin bs=512 count=1

　　# od -xa mbr.bin

　　需要以root身份啟動並執行dd命令，讀取你的第一個整合電子磁碟機或者IDE磁碟機的前512位元組，並將他們寫入

　　mbr.bim檔案。od命令則是以十六進位和ASCII碼形式列印出這個二進位檔案

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　　在個人電腦中，linux的啟動是從0xFFFF0地址開始的。BIOS的第一步動作就是進行上電自檢（POST）。POST的工作是檢查硬體 裝置。BIOS的第二步動作就是枚舉本地裝置並初始化。

　　由於BIOS功能使用上的不同，它由兩個部分組成：POST碼runtime服務。POST完成後，它將從儲存空間中被清除，但是BIOS runtime服務會被保留，用於目標作業系統。

　　為了啟動作業系統，BIOS的runtime服務將搜尋那些啟用狀態的或是可引導啟動的裝置，搜尋的順序則由CMOS設定決定（也就是我們平時 所謂的在 BIOS中設定的啟動順序）。一個軟碟機，一台光碟機，一個硬碟上的分區，網路上的裝置甚至一個usb 快閃記憶體盤都可以作為一個啟動裝置。

　　當然，linux通常是從硬碟啟動的。硬碟上的MBR（主開機記錄）包含有基本的boot loader，它是一個512位元組大小的扇區，位於磁碟的第一個扇區（0磁頭0磁軌1扇區）。當MBR被裝載到RAM中後，BIOS就會將控制權轉交給 MBR。

　　三、 第一階段boot loader

　　位於MBR中的主boot loader是一個512位元組的鏡像，其中不僅包含了程式碼，還包含了一個小的分區表，2所示。最初的446位元組是主boot loader，它裡面就包含有可執行代碼以及錯誤訊息文本。接下來的64位元組是分區表，其中包含有四個分區的各自的記錄（一個分區佔16位元組）。MBR通 過特殊數字0xAA55（譯者註：在電子界中AA55確實是具有傳奇色彩的數字，想知道為什麼嗎？將它展開成二進位形式，看看有什麼規律）作為兩個位元組的 結束標誌。0x55AA同時也是MBR有效校正確認。

　　主boot loader的工作是尋找並載入第二boot loader。它通過分析分區表，找出啟用分區來完成這個任務，當它找到一個啟用分區時，它將繼續掃描剩下的分區表中的分區，以便確認他們都是未啟用的。 確認完畢後，啟用分區的開機記錄從裝置中被讀到RAM，並被執行。

　　四、 第二階段boot loader

　　起著次作用，或者說是第二boot loader，可以更加形象得被稱為核心載入程式。這個階段的任務就是載入linux核心，以及可選的初始化記憶體盤。

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　　小知識：GRUB階段的boot loaders

　　在/boot/grub目錄中包含有stage1,stage2和stage1.5的boot loaders，同時還有不少可選的loaders（例如，CD-ROM使用的就是iso9660_stage_1_5）

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　　把第一階段和第二階段的boot loaders聯合起來，就是在x86個人電腦中，我們所說的linux loader（LILO）或者GRand Unified Bootloader(GRUB)。由於GRUB修正了一些LILO中存在的缺陷，因此下面就讓我們來看看GRUB（如果你希望得到更多的關於GRUB， LILO和與之相關話題的討論資源，請見文後的參考資料）

　　對於GRUB來說，一個比較好的方面就是它包含了linux檔案系統的知識。與LILO使用裸扇區不同的是，GRUB能夠從ext2或者 ext3檔案系統中載入linux核心。它是通過將本來兩階段的boot loader轉換成三個階段的boot loader。在第一階段（MBR）中會啟動stage1.5的boot loader來理解linux核心鏡像中的特殊的檔案系統格式，例如，reiserfs_stage1-5(用於從reiserf記錄檔系統中進行加 載)或e2fs+stage1_5(用於從wxt2或ext3檔案系統進行載入）。當stage1.5的boot loader被載入並運行時，stage2 的boot loader才能被載入。

　　當stage2被載入時，GRUB能根據請求的情況顯示一個可選核心的清單（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)。你可以選擇一個核心，修改其附加的核心參數。同時，你可以選擇使用命令列的shell來對啟動過程進行更深層次的手工控 制。

　　在第二階段boot loader存在與記憶體中後，就可以對檔案系統進行查詢了，同時，預設的核心鏡像以及初始化記憶體盤鏡像也被載入到記憶體中。一切準備完畢之後，第二階段的 boot loader就會調用核心鏡像。

 

　2. 核心啟動：建立1＃進程並執行，由它建立若干核心線程（kernel thread），然後裝入並執行程式/sbin/init（變成一個使用者進程）。此後，init根據/etc/inittab設定檔來執行相應的指令碼進 行系統初始化，如設定鍵盤、字型，裝載模組，設定網路等。

　　對於Redhat來說，執行的順序為：

　　/etc/rc.d/rc.sysinit # 由init執行的第一指令碼

　　/etc/rc.d/rc $RUNLEVEL # init執行指定運行層級（$RUNLEVEL為預設的運行模式）的各指令碼；

　　/etc/rc.d/rc.local #運行模式2、3、5時會啟動並執行指令碼

　　/sbin/mingetty（或getty） # 等待使用者登入

　　/etc/inittab中指定了系統的運行層級（RUNLEVEL），init根據運行層級啟動相關的服務（一些後台進程），實現不同的功 能。

　　RUNLEVEL值為:0－6

　　0：halt， 1：單使用者，2：多使用者，3：多使用者並啟動NFS服務

　　4：保留，5：運行xdm（X window）以圖形介面方式登入

　　6：reboot

　　3./etc/inittab檔案

　　/etc/inittab的檔案內容如下：

　　# 設定系統開機預設的RUNLEVEL：

　　id:3:initdefault:

　　# 開始進行RUNLEVEL的服務啟動前，使用來偵測與初始化系統內容的設定檔案：

　　si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

　　# 7 個不同 run level 的，需要啟動的服務的 scripts 放置路徑：

　　l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0

　　l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1

　　l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2

　　l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3

　　l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4

　　l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5

　　l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6

　　# 是否允許按下 [ctrl]+[alt]+[del] 就重新開機的設定項目：

　　ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now

　　# 本機端終端機啟動的個數：

　　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

　　# 在 X Window (RUNLEVEL 5) 環境下的啟動 script 設定項目：

　　x:5:once:/etc/X11/prefdm -nodaemon

　　這個檔案的文法是這樣的：

　　標識符：層級：init 的動作行為:指令項目

　　1. 標識符：

　　最多四個字元，代表 init 的主要工作項目，只是一個簡單的代表說明。

　　2. 層級：

　　該項目在哪些 run level 底下進行的意思。如果是 35 則代表 runlevel 3 與 5 都會執行。

　　3. init 的動作行為：

　　主要可以進行的動作項目意義有：

　　initdefault ：代表預設的 run level 設定值；

　　sysinit ：代表系統初始化的動作項目；

　　ctrlaltdel ：代表 [ctrl]+[alt]+[del] 三個按鍵是否可以重新開機的設定；

　　wait ：代表後面接的指令項目必須要執行完畢才能繼續後面的動作；

　　respawn ：代表後面接的， init 仍會主動的『重新』啟動。

　　更多的設定項目請參考 man inittab 的說明。

　　4. 指令項目：

　　亦即應該可以進行的指令，通常是一些 script 囉。

　　說明：如根據上面的檔案，init程式執行時根據/etc/inittab檔案的內容，完成以下功能

　　(1)擷取RUNLEVEL（檔案中的這一行 id:3:initdefault:）為3

　　(2)執行rc.sysinit（檔案中的這一行 si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit）

　　(3)執行/etc/rc.d/rc3.d目錄中的指令碼（檔案中的這一行 l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3，且因為本例RUNLEVEL為3）

　　(4)然後設定是否允許按下 [ctrl]+[alt]+[del] 就重新開機（檔案中的這一行 ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now，當然如果不允許，可把此行注釋掉）

　　(5)啟動六個終端介面tty1-tty6

　　(6)最後如果我們使用的是 run level 5 ，那麼除了這六個終端機之外， init 還會執行/etc/X11/prefdm -nodaemon 其主要的功能就是在啟動 X Window ！