從高級(jí)的視角來查看Linux引導(dǎo)過程

早期時(shí)，啟動(dòng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)意味著要給計(jì)算機(jī)喂一條包含引導(dǎo)程序的紙帶，或者手工使用前端面板地址/數(shù)據(jù)/控制開關(guān)來加載引導(dǎo)程序。盡管目前的計(jì)算機(jī)已經(jīng)裝備了很多工具來簡(jiǎn)化引導(dǎo)過程，但是這一切并沒有對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。

讓我們先從高級(jí)的視角來查看Linux引導(dǎo)過程，這樣就可以看到整個(gè)過程的全貌了。然后將回顧一下在各個(gè)步驟到底發(fā)生了什么。在整個(gè)過程中，參考一下內(nèi)核源代碼可以幫助我們更好地了解內(nèi)核源代碼樹，并在以后對(duì)其進(jìn)行深入分析。

1、概述

圖 1 是我們?cè)?0,000 英尺的高度看到的視圖。

當(dāng)系統(tǒng)首次引導(dǎo)時(shí)，或系統(tǒng)被重置時(shí)，處理器會(huì)執(zhí)行一個(gè)位于已知位置處的代碼。在個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)中，這個(gè)位置在基本輸入/輸出系統(tǒng)(BIOS)中，它保存在主板上的閃存中。嵌入式系統(tǒng)中的中央處理單元(CPU)會(huì)調(diào)用這個(gè)重置向量來啟動(dòng)一個(gè)位于閃存/ROM中的已知地址處的程序。在這兩種情況下，結(jié)果都是相同的。因?yàn)镻C提供了很多靈活性，BIOS必須確定要使用哪個(gè)設(shè)備來引導(dǎo)系統(tǒng)。稍后我們將詳細(xì)介紹這個(gè)過程。

當(dāng)找到一個(gè)引導(dǎo)設(shè)備之后，第一階段的引導(dǎo)加載程序就被裝入RAM并執(zhí)行。這個(gè)引導(dǎo)加載程序在大小上小于512 字節(jié)(一個(gè)扇區(qū))，其作用是加載第二階段的引導(dǎo)加載程序。

當(dāng)?shù)诙A段的引導(dǎo)加載程序被裝入RAM 并執(zhí)行時(shí)，通常會(huì)顯示一個(gè)動(dòng)畫屏幕，并將Linux 和一個(gè)可選的初始 RAM磁盤(臨時(shí)根文件系統(tǒng))加載到內(nèi)存中。在加載映像時(shí)，第二階段的引導(dǎo)加載程序就會(huì)將控制權(quán)交給內(nèi)核映像，然后內(nèi)核就可以進(jìn)行解壓和初始化了。在這個(gè)階段中，第二階段的引導(dǎo)加載程序會(huì)檢測(cè)系統(tǒng)硬件、枚舉系統(tǒng)鏈接的硬件設(shè)備、掛載根設(shè)備，然后加載必要的內(nèi)核模塊。完成這些操作之后啟動(dòng)第一個(gè)用戶空間程序(init)，并執(zhí)行高級(jí)系統(tǒng)初始化工作。

這就是 Linux引導(dǎo)的整個(gè)過程?，F(xiàn)在讓我們深入挖掘一下這個(gè)過程，并深入研究一下Linux引導(dǎo)過程的一些詳細(xì)信息。

2、系統(tǒng)啟動(dòng)

系統(tǒng)啟動(dòng)階段依賴于引導(dǎo)Linux系統(tǒng)上的硬件。在嵌入式平臺(tái)中，當(dāng)系統(tǒng)加電或重置時(shí)，會(huì)使用一個(gè)啟動(dòng)環(huán)境。這方面的例子包括U-Boot、RedBoot和Lucent的MicroMonitor。嵌入式平臺(tái)通常都是與引導(dǎo)監(jiān)視器搭配銷售的。這些程序位于目標(biāo)硬件上的閃存中的某一段特殊區(qū)域，它們提供了將Linux內(nèi)核映像下載到閃存并繼續(xù)執(zhí)行的方法。除了可以存儲(chǔ)并引導(dǎo)Linux映像之外，這些引導(dǎo)監(jiān)視器還執(zhí)行一定級(jí)別的系統(tǒng)測(cè)試和硬件初始化過程。在嵌入式平臺(tái)中，這些引導(dǎo)監(jiān)視器通常會(huì)涉及第一階段和第二階段的引導(dǎo)加載程序。

在 PC 中，引導(dǎo)Linux 是從 BIOS 中的地址0xFFFF0 處開始的。BIOS的第一個(gè)步驟是加電自檢(POST)。POST的工作是對(duì)硬件進(jìn)行檢測(cè)。BIOS的第二個(gè)步驟是進(jìn)行本地設(shè)備的枚舉和初始化。

給定 BIOS 功能的不同用法之后，BIOS由兩部分組成：POST 代碼和運(yùn)行時(shí)服務(wù)。當(dāng)POST 完成之后，它被從內(nèi)存中清理了出來，但是BIOS運(yùn)行時(shí)服務(wù)依然保留在內(nèi)存中，目標(biāo)操作系統(tǒng)可以使用這些服務(wù)。

要引導(dǎo)一個(gè)操作系統(tǒng)，BIOS運(yùn)行時(shí)會(huì)按照CMOS的設(shè)置定義的順序來搜索處于活動(dòng)狀態(tài)并且可以引導(dǎo)的設(shè)備。引導(dǎo)設(shè)備可以是軟盤、CD-ROM、硬盤上的某個(gè)分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)上的某個(gè)設(shè)備，甚至是USB閃存。

通常，Linux都是從硬盤上引導(dǎo)的，其中主引導(dǎo)記錄(MBR)中包含主引導(dǎo)加載程序。MBR是一個(gè)512 字節(jié)大小的扇區(qū)，位于磁盤上的第一個(gè)扇區(qū)中(0道0 柱面1 扇區(qū))。當(dāng) MBR 被加載到RAM 中之后，BIOS 就會(huì)將控制權(quán)交給MBR。

注意：要查看 MBR的內(nèi)容，請(qǐng)使用下面的命令：

# ddif=/dev/hda of=mbr.bin bs=512 count=1#od -xambr.bin

這 個(gè)dd 命令需要以root用戶的身份運(yùn)行，它從/dev/hda(第一個(gè)IDE 盤)上讀取前 512 個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，并將其寫入mbr.bin 文件中。od命令會(huì)以十六進(jìn)制和ASCII碼格式打印這個(gè)二進(jìn)制文件的內(nèi)容。

MBR 中的主引導(dǎo)加載程序是一個(gè)512 字節(jié)大小的映像，其中包含程序代碼和一個(gè)小分區(qū)表(參見圖2)。前 446個(gè)字節(jié)是主引導(dǎo)加載程序，其中包含可執(zhí)行代碼和錯(cuò)誤消息文本。接下來的64個(gè)字節(jié)是分區(qū)表，其中包含4 個(gè)分區(qū)的記錄(每個(gè)記錄的大小是16 個(gè)字節(jié))。MBR以兩個(gè)特殊數(shù)字的字節(jié)(0xAA55)結(jié)束。這個(gè)數(shù)字會(huì)用來進(jìn)行MBR的有效性檢查。

圖2. MBR剖析

主引導(dǎo)加載程序的工作是查找并加載次引導(dǎo)加載程序(第二階段)。它是通過在分區(qū)表中查找一個(gè)活動(dòng)分區(qū)來實(shí)現(xiàn)這種功能的。當(dāng)找到一個(gè)活動(dòng)分區(qū)時(shí)，它會(huì)掃描分區(qū)表中的其他分區(qū)，以確保它們都不是活動(dòng)的。當(dāng)這個(gè)過程驗(yàn)證完成之后，就將活動(dòng)分區(qū)的引導(dǎo)記錄從這個(gè)設(shè)備中讀入RAM中并執(zhí)行它。

4、第二階段引導(dǎo)加載程序

次引導(dǎo)加載程序(第二階段引導(dǎo)加載程序)可以更形象地稱為內(nèi)核加載程序。這個(gè)階段的任務(wù)是加載Linux內(nèi)核和可選的初始 RAM磁盤。

在 x86 PC環(huán)境中，第一階段和第二階段的引導(dǎo)加載程序一起稱為L(zhǎng)inux Loader(LILO)或GRand Unified Bootloader(GRUB)。由于LILO有一些缺點(diǎn)，而 GRUB克服了這些缺點(diǎn)，因此下面讓我們就來看一下GRUB。

關(guān)于 GRUB，很好的一件事情是它包含了有關(guān)Linux文件系統(tǒng)的知識(shí)。GRUB不像LILO 一樣使用裸扇區(qū)，而是可以從ext2 或 ext3 文件系統(tǒng)中加載Linux 內(nèi)核。它是通過將兩階段的引導(dǎo)加載程序轉(zhuǎn)換成三階段的引導(dǎo)加載程序來實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能的。階段1 (MBR)引導(dǎo)了一個(gè)階段1.5 的引導(dǎo)加載程序，它可以理解包含Linux 內(nèi)核映像的特殊文件系統(tǒng)。這方面的例子包括reiserfs_stage1_5(要從Reiser日志文件系統(tǒng)上進(jìn)行加載)或e2fs_stage1_5(要從ext2或 ext3 文件系統(tǒng)上進(jìn)行加載)。當(dāng)階段1.5 的引導(dǎo)加載程序被加載并運(yùn)行時(shí)，階段2的引導(dǎo)加載程序就可以進(jìn)行加載了。

當(dāng)階段2加載之后，GRUB就可以在請(qǐng)求時(shí)顯示可用內(nèi)核列表(在/etc/grub.conf中進(jìn)行定義，同時(shí)還有幾個(gè)軟符號(hào)鏈接/etc/grub/menu.lst和/etc/grub.conf)。我們可以選擇內(nèi)核甚至修改附加內(nèi)核參數(shù)。另外，我們也可以使用一個(gè)命令行的shell對(duì)引導(dǎo)過程進(jìn)行高級(jí)手工控制。

GRUB階段引導(dǎo)加載程序：/boot/grub目錄中包含了stage1、stage1.5和stage2引導(dǎo)加載程序，以及很多其他加載程序(例如，CR-ROM使用的是iso9660_stage_1_5)。

將第二階段的引導(dǎo)加載程序加載到內(nèi)存中之后，就可以對(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行查詢了，并將默認(rèn)的內(nèi)核映像和initrd映像加載到內(nèi)存中。當(dāng)這些映像文件準(zhǔn)備好之后，階段2 的引導(dǎo)加載程序就可以調(diào)用內(nèi)核映像了。

5、內(nèi)核

當(dāng)內(nèi)核映像被加載到內(nèi)存中，并且階段2 的引導(dǎo)加載程序釋放控制權(quán)之后，內(nèi)核階段就開始了。內(nèi)核映像并不是一個(gè)可執(zhí)行的內(nèi)核，而是一個(gè)壓縮過的內(nèi)核映像。通常它是一個(gè)zImage(壓縮映像，小于512KB)或一個(gè)bzImage(較大的壓縮映像，大于512KB)，它是提前使用zlib進(jìn)行壓縮過的。在這個(gè)內(nèi)核映像前面是一個(gè)例程，它實(shí)現(xiàn)少量硬件設(shè)置，并對(duì)內(nèi)核映像中包含的內(nèi)核進(jìn)行解壓，然后將其放入高端內(nèi)存中，如果有初始RAM磁盤映像，就會(huì)將它移動(dòng)到內(nèi)存中，并標(biāo)明以后使用。然后該例程會(huì)調(diào)用內(nèi)核，并開始啟動(dòng)內(nèi)核引導(dǎo)的過程。

當(dāng) bzImage(用于i386映像)被調(diào)用時(shí)，我們從./arch/i386/boot/head.S的start 匯編例程開始執(zhí)行(主要流程圖請(qǐng)參看圖3)。這個(gè)例程會(huì)執(zhí)行一些基本的硬件設(shè)置，并調(diào)用./arch/i386/boot/compressed/head.S中的startup_32例程。此例程會(huì)設(shè)置一個(gè)基本的環(huán)境(堆棧等)，并清除Block Started by Symbol(BSS)。然后調(diào)用一個(gè)叫做decompress_kernel的C 函數(shù)(在./arch/i386/boot/compressed/misc.c中)來解壓內(nèi)核。當(dāng)內(nèi)核被解壓到內(nèi)存中之后，就可以調(diào)用它了。這是另外一個(gè)startup_32函數(shù)，但是這個(gè)函數(shù)在./arch/i386/kernel/head.S中。

在這個(gè)新的 startup_32函數(shù)(也稱為清除程序或進(jìn)程0)中，會(huì)對(duì)頁(yè)表進(jìn)行初始化，并啟用內(nèi)存分頁(yè)功能。然后會(huì)為任何可選的浮點(diǎn)單元(FPU)檢測(cè)CPU的類型，并將其存儲(chǔ)起來供以后使用。然后調(diào)用start_kernel函數(shù)(在init/main.c中)，它會(huì)將您帶入與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的Linux 內(nèi)核部分。實(shí)際上，這就是Linux 內(nèi)核的 main函數(shù)。

圖3. Linux內(nèi)核i386引導(dǎo)的主要函數(shù)流程

注意函數(shù)decompress_kernel就是顯示我們通?？吹降慕鈮合⒌牡胤剑?/p>

Uncompressing Linux... Ok, booting thekernel.

通過調(diào)用start_kernel，會(huì)調(diào)用一系列初始化函數(shù)來設(shè)置中斷，執(zhí)行進(jìn)一步的內(nèi)存配置，并加載初始RAM磁盤。最后，要調(diào)用kernel_thread(在arch/i386/kernel/process.c中)來啟動(dòng)init函數(shù)，這是第一個(gè)用戶空間進(jìn)程(user-spaceprocess)。最后，啟動(dòng)空任務(wù)，現(xiàn)在調(diào)度器就可以接管控制權(quán)了(在調(diào)用cpu_idle之后)。通過啟用中斷，搶占式的調(diào)度器就可以周期性地接管控制權(quán)，從而提供多任務(wù)處理能力。

在內(nèi)核引導(dǎo)過程中，初始 RAM磁盤(initrd)是由階段2引導(dǎo)加載程序加載到內(nèi)存中的，它會(huì)被復(fù)制到RAM 中并掛載到系統(tǒng)上。這個(gè)initrd 會(huì)作為RAM中的臨時(shí)根文件系統(tǒng)使用，并允許內(nèi)核在沒有掛載任何物理磁盤的情況下完整地實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)。由于與外圍設(shè)備進(jìn)行交互所需要的模塊可能是initrd的一部分，因此內(nèi)核可以非常小，但是仍然需要支持大量可能的硬件配置。在內(nèi)核引導(dǎo)之后，就可以正式裝備根文件系統(tǒng)了(通過pivot_root)：此時(shí)會(huì)將initrd根文件系統(tǒng)卸載掉，并掛載真正的根文件系統(tǒng)。

initrd函數(shù)讓我們可以創(chuàng)建一個(gè)小型的Linux內(nèi)核，其中包括作為可加載模塊編譯的驅(qū)動(dòng)程序。這些可加載的模塊為內(nèi)核提供了訪問磁盤和磁盤上的文件系統(tǒng)的方法，并為其他硬件提供了驅(qū)動(dòng)程序。由于根文件系統(tǒng)是磁盤上的一個(gè)文件系統(tǒng)，因此initrd函數(shù)會(huì)提供一種啟動(dòng)方法來獲得對(duì)磁盤的訪問，并掛載真正的根文件系統(tǒng)。在一個(gè)沒有硬盤的嵌入式環(huán)境中，initrd可以是最終的根文件系統(tǒng)，或者也可以通過網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(NFS)來掛載最終的根文件系統(tǒng)。

6、Init

當(dāng)內(nèi)核被引導(dǎo)并進(jìn)行初始化之后，內(nèi)核就可以啟動(dòng)自己的第一個(gè)用戶空間應(yīng)用程序了。這是第一個(gè)調(diào)用的使用標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)編譯的程序。在此之前，還沒有執(zhí)行任何標(biāo)準(zhǔn)的C 應(yīng)用程序。

在桌面 Linux 系統(tǒng)上，第一個(gè)啟動(dòng)的程序通常是/sbin/init。但是這不是一定的。很少有嵌入式系統(tǒng)會(huì)需要使用init所提供的豐富初始化功能(這是通過/etc/inittab進(jìn)行配置的)。在很多情況下，我們可以調(diào)用一個(gè)簡(jiǎn)單的shell腳本來啟動(dòng)必需的嵌入式應(yīng)用程序。

7、結(jié)束語(yǔ)

與Linux本身非常類似，Linux的引導(dǎo)過程也非常靈活，可以支持眾多的處理器和硬件平臺(tái)。最初，加載引導(dǎo)加載程序提供了一種簡(jiǎn)單的方法，不用任何花架子就可以引導(dǎo)Linux。LILO引導(dǎo)加載程序?qū)σ龑?dǎo)能力進(jìn)行了擴(kuò)充，但是它卻缺少文件系統(tǒng)的感知能力。最新一代的引導(dǎo)加載程序，例如GRUB，允許Linux 從一些文件系統(tǒng)(從Minix 到 Reise)上進(jìn)行引導(dǎo)。