Linux作業系統啟動流程淺析

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啟動BIOS程式

　　當電源鍵按下之後，BIOS（Basic nput Output System）就會由主板上的快閃記憶體來運行。BIOS程式會把自己解壓縮到系統的記憶體之中，然後讀取CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）記憶體儲的資訊（例如系統時間，啟動裝置順序等）來對系統進行配置。同時進行自檢（POST：Power-On Self Test）。檢測系統的硬體是否存在問題，自檢通過之後，BIOS會載入第一啟動裝置的MBR（Master Boot Record：主開機磁區）中的boot loader程式。

　　需要說明的一點是，BIOS載入bootloader是通過硬體的INT 13中斷功能來載入的。即，BIOS讀取到了磁碟之後，通過INT 13這條通道來讀取該磁碟的第一個扇區中的boot loader程式！

　　下面是BIOS程式的幾張：

　　

　　圖1.1：BIOS程式的基本配置介面

 　　

　　圖1.2：BIOS程式調整裝置啟動順序的介面

啟動Bootloader程式

　　Linux下面的Bootloader有多種，比如早期預設使用LILO,還有目前主流的grub。下面以目前Linux系統上面主流的grub來說明一下bootloader主要幹了哪些事情？

　　Grub啟動時會自動讀取/boot/grub/grub.conf這個設定檔，然後執行其中的grub命令！圖2.1是在centos6.5上面的一個grub.conf設定檔！Grub命令為紅線框內的部分，它主要分為三個部分：

 　　

　　圖2.1

　　1.設定啟動的硬碟分區（root命令）,傳遞給這個命令的參數是分區，這個命令會去分析並掛載這個分區，然後讀取出其中的/boot檔案夾下面的內容。比2.2所示，執行了命令之後，就能夠讀取出boot檔案夾下面的內容了！

 　　

　　圖2.2

　　2.選擇引導的核心檔案，並設定好核心參數（kernel命令）

　　3.載入initrd檔案，設定虛擬檔案系統。（initrd命令）

 

　　需要特別說明的是這個initrd檔案，這個其實是一個虛擬檔案系統（Initial RAM Disk）。在Linux系統中，有些磁碟的驅動程式並沒有編譯在核心中，而是被打包成了模組存放在了/lib/modules目錄下面，而當核心啟動了之後就需要載入磁碟的驅動程式。可是/lib/modules還沒有被掛載，這時就產生矛盾了！為瞭解決這個矛盾，就產生了虛擬檔案系統的這個概念。我們可以講initrd檔案載入到記憶體中（為了擔心影響到磁碟上的檔案系統，此時根目錄的掛載是以唯讀方式來掛載的），虛擬出一個根檔案系統出來，然後讀取虛擬根檔案系統中的磁碟驅動程式，然後再從新掛載真正的根目錄。

　　2.3所示，這些檔案就是initrd檔案所解壓出來的內容。

　　 

　　圖2.3

載入系統核心與硬體驅動程式

 　　Grub程式運行完上面三個命令之後，核心檔案（vmlinuz-$(uname -r)）就會被解壓到了記憶體之中開始運行了！此時，核心會自己再來從新檢測一遍硬體並載入驅動程式！檢查完成之後，核心就會調用Init程式，建立系統的第一個進程！

Init進程進行系統的初始化

 　　Init程式啟動之後，會首先去讀取/etc/inittab這個檔案來擷取作業系統的Run Level（運行層級）。什麼是運行層級呢，Linux下面系統根據有無網路和X Window來將

　　系統分為了七個運行層級。它們的內容3.1所示：

 　　

　　圖3.1

　　這是在Linux的/etc/inittab檔案中關於這其中模式的說明。

　　模式0代表了關機狀態，模式1代表了單一使用者模式（維護模式），模式2代表了多使用者的命令列模式，但是並沒有網路。模式3代表了包含網路的多使用者的命令列模式。模式4是系統保留的功能。模式5代表了圖形介面模式。模式6代表了系統重啟的狀態。

　　對應於每個運行層級，/etc目錄下面分別設定的不同的目錄，3.2所示：

 　　

　　圖3.2

　　系統運行某個層級，就會去運行相應目錄（/etc/rc[運行層級].d）內的指令檔。這裡那個rc代表的是run command，即開始時要啟動並執行命令，那個.d代表directory，代表的是目錄的意思！

　　Inittab檔案中出了能夠設定系統的啟動層級外，還有一些其他的功能，3.3所示：

 　　

　　圖3.3

　　這個是在CentOS6.5上面inittab檔案中關於其他配置的說明。

　　總之，Init程式在擷取完了系統的運行等級之後，會繼續執行下面這幾個功能：

　　對系統進行初始化（執行/etc/init/rcS.conf這個指令檔或者通過/etc/init/rc.conf來運行一些自訂的運行等級程式）

　　載入系統服務項（運行/etc/rc[運行等級].d/中的指令檔）

　　設定好Ctrl + Alt + Del鍵的功能

　　運行mingetty來設定好六個相應的終端機

運行終端機並接受使用者登陸

　　當系統的初始化內容完成之後，系統就會調用mingetty函數，來設定終端機，並等待使用者登陸！它的具體流程是這樣的，init進程先fork一個子進程，然後這個子進程來exec一個getty程式。Getty程式會試著去開啟一個終端，如果開啟成功了，那麼就會去螢幕上顯示login字樣，當使用者鍵入了使用者名稱之後，getty程式的任務就完成了！然後它在以exec的方式來調用login程式。Login程式會去讀取使用者名稱和使用者密碼，然後讀取shadow檔案來檢驗使用者的密碼是否正確。如果密碼不正確，則login通過調用exit 1來退出，此時init進程重新fork來重複上述步驟。

　　如果密碼驗證成功的話，那麼login程式就會設定一些系統啟動並執行環境（比如設定工作目錄，設定uid和gid，使用者名稱等）。設定好了這些系統內容之後，login程式就會通過exec來調用shell程式，shell程式執行並讀取一些啟動指令碼（例如/etc/bashrc等）。讀取完這些啟動指令碼之後，shell就列印出提示符，然後等待使用者鍵入命令！此時我們的系統就正常啟動了！

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