系統啟動-以Linux為例

這篇說一下電腦的啟動過程，主要是PC系統上Linux的啟動過程，嵌入式的稍微提到一下，這上面的東西不一定非常正確，大多從網上相關的技術文章中擷取的資訊，以及查閱了部分Linux的代碼。

總的來說這個文章定位於學習交流的性質，如果您覺得有不對的地方請一定指出來。

本文開始：

系統複位完成後，CPU從一個確定的地址開始執行代碼，PC就是從BIOS中開始執行。嵌入式CPU則是在複位後從一個位於快閃記憶體或者ROM的已知地址處開始執行，具體這個地址在哪兒應該去查閱所使用CPU的datasheet，一般上面都有說明。

下面接著說PC，在PC中，是從地址0xFFFF0處開始執行的，這個地址正好在BIOS的位址範圍之內，這裡是一條跳轉指令，跳轉到BIOS真正的啟動代碼處（此處更具體的過程應該查閱PC相關的架構設計文檔，Intel那幾大本應該有用）。BIOS一開始是加電自檢，即所謂POST過程，POST過程完成後，其代碼就被清除出記憶體了，然後是BIOS的第二階段，這個階段進行本地裝置的枚舉和初始化，這部分代碼在BIOS結束後仍然駐留記憶體，目標作業系統可以使用這些服務。BIOS最後會根據使用者的配置來尋找使用中的磁碟分割，這裡以硬碟為例。系統BIOS將讀取並執行硬碟上MBR處的代碼，這裡就進入了引導載入程式的部分，我們以當前大多數Linux發行版中使用的grub為例來進行說明。由於BIOS訪問的儲存空間有限，所以大多把引導載入程式分成兩個階段來進行引導。

GRUB（GNU GRand Unified Bootloader）
MBR（Master Boot Record），一共512位元組，位於磁碟的0道0柱面1扇區，即第一扇區。當MBR被載入到RAM後，BIOS將控制權交給了MBR，MBR中的主引導載入程式是一個512位元組的映像，其中包含程式碼和一個分區表。其中前446個位元組是第一階段引導載入程式，其中包含了可執行代碼和錯誤訊息文本，接下來64位元組是分區表，其中包含4個分區的記錄（每個記錄大小為16位元組）。MBR以兩個特殊位元組（0xAA55）結尾，用作MBR的有效性檢查。

第一階段引導載入程式的工作是尋找並載入第二階段的引導程式，它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，當找到一個使用中的磁碟分割的時候，它會掃描分區表中的其他分區，以確保它們是不活動的，當這個過程驗證完成後，就將使用中的磁碟分割的引導記錄從這個裝置中讀入RAM並執行。

在這裡要提到一下，grub存在一個1.5階段，之所以存在這個階段是因為在這裡grub可以識別檔案系統，能夠訪問/boot/grub目錄下的設定檔，而不是訪問磁碟塊的方式，這個在啟動以後可以看一下/boot/grub目錄下面有許多檔案系統格式+1.5這樣命名的檔案，比如在我的機器上就有:
fat_stage1_5
jfs_stage1_5
minix_stage1_5
e2fs_stage1_5
reiserfs_stage1_5
xfs_stage1_5
可以看到這裡包含了Linux常用的多種檔案系統。在grub1.5階段載入grub.conf之後，就可以看到啟動選項的介面了，這裡有許多可以配置的選項，鑒於本文的目的就不介紹了，可以參看grub的文檔說明。

當1.5引導載入程式載入運行以後，第二階段載入引導程式被載入到記憶體，並接管接下來的工作。它負責對檔案系統進行查詢定位核心和initrd映像的位置，並將它們載入到記憶體中，當這些映像準備完畢，階段2引導載入程式調用核心入口函數，引導載入程式釋放控制權，核心階段開始。

一般核心是一個壓縮過的核心映像，在解壓縮之前，先有少量代碼進行一些硬體設定，然後解壓核心並將其放入到高端記憶體中，如果有initrd的話，會將它移到記憶體中，並表明以後可用，然後調用核心，開始啟動核心引導過程。具體過程一般是從arch/i386/boot/head.S的start彙編函數開始執行，這個函數執行一些基本硬體設定，然後調用arch/i386/boot/compressed/head.S中的startup_32函數，該函數然後調用decompress_kernel解壓核心，然後調用位於arch/i386/kernel/head.S中的startup_32函數，由它進一步初始化硬體，包括記憶體等，然後調用start_kernel，啟動核心，最後由start_kernel函數在最後調用init啟動第一個使用者空間進程，然後開始使用者空間的啟動過程，直到整個系統啟動完畢。

就先如此吧，下次可以將代碼更好的結合一下。

參考資料：
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/BIOS
[2] http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-linuxboot/
[3] http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-bootload.html