从按下PC电源，到出现熟悉的bash提示符"$"或进入漂亮的KDE/GNOME桌面，这是我们每天开机必经的过程。那么，在这短短几十秒内，Linux是怎样启动的呢？本文介绍Linux的启动过程。
平台：PC机, Ubuntu 5.10
基础知识
BIOS (Basic I/O System，基本输入/输出系统)
BIOS，完整地说应该是ROM－BIOS，是只读存储器基本输入/输出系统的简写，它实际上是被固化到计算机中的一组程序，为计算机提供最低级的、最直接的硬件控制。准确地说，BIOS是硬件与软件程序之间的一个“转换器”或者说是接口(虽然它本身也只是一个程序)，负责解决硬件的即时需求，并按软件对硬件的操作要求具体执行。
从功能上看，BIOS分为三个部分：
1.自检及初始化程序；
2.硬件中断处理；
3.程序服务请求。
这里我们主要关注第一部分——自检及初始化程序：这部分负责启动计算机，具体有三个部分，第一个部分是用于计算机刚接通电源时对硬件部分的检测，也叫做加电自检(POST)，功能是检查计算机是否良好，例如内存有无故障等。第二个部分是初始化，包括创建中断向量、设置寄存器、对一些外部设备进行初始化和检测等，其中很重要的一部分是BIOS设置，主要是对硬件设置的一些参数，当计算机启动时会读取这些参数，并和实际硬件设置进行比较，如果不符合，会影响系统的启动。
最后一个部分是引导程序，功能是引导DOS或其他操作系统。BIOS先从软盘或硬盘的开始扇区读取引导记录，如果没有找到，则会在显示器上显示没有引导设备，如果找到引导记录会把计算机的控制权转给引导记录，由引导记录把操作系统装入计算机，在计算机启动成功后，BIOS的这部分任务就完成了。
关于BIOS的详细介绍，可以google一下，就不错。
硬盘
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就物理组成来说，一个硬盘封装里有多个
盘片(platter)，每个盘面有两个
面(surface)。在盘片上都有一个
磁头(head)来进行硬盘盘片的读/写，盘片绕
轴(spinder)旋转一周时磁头所走过的轨迹即
磁道(track)，所有盘片的同一磁道构成了
磁柱(cylinder)。磁道又被分为多个
扇区(sector),扇区是最小的磁盘存储单位，即硬盘分区时的最小单位——通常为512KB。磁道由
缝隙(gap)分开，gap中存储的不是数据位，而是用来确认扇区的格式位。
MBR 主引导扇区(MBR, Master Boot Recorder)是硬盘中最重要的部分，它记录了硬盘的分区信息、引导信息。CU上面有一篇介绍MBR的
文章。
| 注意这里所说的MBR是指BIOS中指定的启动设备中的MBR。如果以软盘启动，则MBR是软盘的第一个扇区。如果是硬盘，则是硬盘的第一个扇区。如果有多个硬盘呢？那么就是BIOS中指定启动硬盘的第一个扇区！ |
run-level
运行 $ less /etc/inittab
显示下列信息：
# /etc/init.d executes the S and K scripts upon change
# of runlevel.
#
# Runlevel 0 is halt.
# Runlevel 1 is single-user.
# Runlevels 2-5 are multi-user.
# Runlevel 6 is reboot.
上面显示的就是当前可用的登录模式，共有0～6中级别。常用的是3和5。
0：关机
1：单用户模式(系统有问题时的登录模式，相当于WINDOWS的"安全模式“)
2：对于Debian/Ubuntuare来说，2～5都是相同的——多用户图形界面模式。对于其他发行版来说，3可能是多用户文本模式，4为系统保留，5为多用户图形模式，具体的定义可以查看该发行版对应的/etc/inittab文件内容。
6：重新启动
另外，还可能有"S"级，它等同于1的单用户级别。
运行 $ runlevel 可以查看系统当前运行级别
如果把运行级别设成了0或6，想象会出现什么情况？如何解决呢？
|
WINDOWS在启动时，如果按下F8，会出现“安全模式“、”正常启动“、”MS-DOS“模式的选择。相当于Linux run-level的1，5，3(不对应于Debian/Ubuntu)。
| 关于Debian/Ubuntu中的run-level，看 |
基本流程
1， 加载BIOS硬件信息，并取得第一个开机装置的代号。
2，加载第一个开机装置中MBR的boot loader(即lilo, grub, spfdisk等)引导信息。
3，加载Linux内核，内核开始解压缩，并驱动硬件。
4，内核执行init程序，并获得run-level信息；
5，init 执行 /etc/init.d/rcS 程序；
6，加载内核模块(module)
7，init 执行 对应run-level 级的脚本文件( Scripts )；
8，执行 /bin/login 程序，等待用户登入；
9，用户登入之后，开始以shell控制系统(如果以图形界面登录，则运行图形界面)。
下面具体介绍流程中的步骤：
1，加载BIOS
系统上电时，最先读取BIOS信息。BIOS(Basic Input/Output System)是计算机与外设最底层的接口，它存储了计算机启动时最先加载的数据，包括：CPU类型、启动设备顺序、硬盘大小/类型、芯片组工作状态、外设I/O地址、PnP (Plug and Play，既插既用设备)的开启与否、内存时钟等。
读取了BIOS设定值后，系统根据BIOS数据进行开机自我检测(Power On Self Test, POST)，对硬件进行初始化，并设定PnP设备，指定启动设备，之后从磁盘的MBR中读取Bootloader数据。
2，加载Boot Loader
系统读完BIOS之后，接着加载第一个引导磁盘的第一个扇区(MBR)，boot loader就位于MBR中。此时，启动工作的接力棒就交到了boot loader的手中。
| 常用的boot loader有lilo, grub, spfdisk等，现在最流行的是grub，我用的Ubuntu中，boot loader就是grub，本文假设boot loader是grub，其实基本原理都是一样的。 |
为什么要在MBR中安装boot loader呢？它到底有什么作用？实际上，boot loader的作用就是加载OS内核。系统在启动时，要读取文件以加载内核，必须能够识别硬盘文件系统，但这时候系统还在启动过程中，对文件系统信息一无所知。boot loader就辅佐系统识别文件格式，加载内核。boot loader不仅不光能够识别Linux内核，而且能识别WINDOWS内核.所以,如果要安装多系统,那么要在MBR中安装能支持这些系统文件系统的 boot loader.
如果是以grub启动,加载它后,会有个选择启动那个OS的菜单,当你作出选择后,grub就从被选定OS所在的扇区中加载相应的内核.
3，加载内核
在grub的菜单选定启动Linux后，系统从Linux所在的磁盘载入内核。内核一般位于/boot目录中，比如，我的系统中内核为 /boot/vmlinuz-2.6.12-10-686。当然，可以有不同版本的内核位于/boot目录中，可以通过grub菜单选择启动的内核版本。
vmlinuz是可引导的、压缩的内核。“vm”代表“Virtual Memory”。vmlinux是未压缩的内核，vmlinuz是vmlinux的压缩文件.
加载内核时还应该注意”虚拟硬盘“，即RAM DISK。以后有机会再归纳。
图1 有建立RAM Disk可能的启动流程
图2 更明了的启动流程
| 总之,boot loader现将Linux内核加载到内存中(可能基于initrd建立RAM DISK),然后将BIOS中关于设备的数据传递给内核,内核建设设备,加载相应的驱动程序. |
4，init进程
内核被加载之后，它执行的第一个程序就是/sbin/init.init 它利用 /etc/inittab配置文件获取开机等级 ( Run level ) 之外， 并基于run level 选择开机时启动的服务.
通过 $ less /etc/inittab 查看开机init读取的开机配置文件内容.注意下面这行:
# The default runlevel.
id:2:initdefault:
Ubuntu默认的run level是2.正如前面所说,把它设置成2,3,4,5都是多用户图形模式登录.千万别设成0或6!
关于init进程,这里多说几句(针对一般UNIX系统)
pid=0 : swapper进程,用于进程调度.它位于内核内部,是系统进程.
pid=1 : init进程, 有对应的程序/sbin/init,尽管运行它需要管理员权限,但实际上它是个用户进程,不位于内核中.系统启动时,内核被加载后调用init进程.
pid=2 : pagedaemon, 用于支持虚拟内存的页. |
init进程还负责处理孤儿进程(父进程在子进程之前终止,则子进程成为孤儿进程, 此时,init继承为他们的父进程).
5，init 执行 /etc/init.d/rcS 程序 (重点）
| 在Debian/Ubuntu系统中，初始化脚本是/etc/init.d/rcS，在Rad Hat中是/etc/rc.d/rc.sysinit。这里面包含了装入文件系统，设置时间，打开交换分区，得到主机名等等内容。 |
在前面提到的inittab文件中，紧接runlevel之后有如下内容：
# Boot-time system configuration/initialization script.
# This is run first except when booting in emergency (-b) mode.
si::sysinit:/etc/init.d/rcS
inittab的主要功能是描述引导及正常操作时，应该在何种运行等级下启动什么程序，每个运行等级的具体项目完全可以通常/etc/inittab来定义，但Debian有一个更健壮的方案sysvinit，它被认为是init最强大的应用程序之一。Debian组织inittab的方式是把运行等级的大部分定义从inittab中移出来，移到一个脚本层次中去。惟一直接从inittab启动的程序只有getty，它用于虚拟设备上启动登录提示符，保留它因为它们要求特殊处理，在inittab之外处理要困难得多。
inittab来启动所有软件当然是可能的，但将所有配置写在同一个文件既不方便查看也不方便维护，所以文件里会加上这许多行：
l0:0:wait:/etc/init.d/rc 0
l1:1:wait:/etc/init.d/rc 1
l2:2:wait:/etc/init.d/rc 2
l3:3:wait:/etc/init.d/rc 3
l4:4:wait:/etc/init.d/rc 4
l5:5:wait:/etc/init.d/rc 5
l6:6:wait:/etc/init.d/rc 6
这些行实际决定了系统在各个运行等级下的行为。它们如何做到的也许并不明显，但至少我们知道主要意思：首先每行都有个符号ID lx，lx表示runlevel x；其次，每行只在一个运行等级下激活，该运行等级对应着符号ID中的数字x。命令执行时，init停下来，直到进程结束。最后，每个命令行调用一个脚本 /etc/init.d/rc x，这里x代表当前运行等级的数字。显然各运行等级的具体任务在/etc/init.d/rcS脚本中安排。
init把从inittab中获取的run-level值作为参数传递给rc
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rc与rcS脚本的区别 (rc = run command)
rc : This file is responsible for starting/stopping services when the runlevel changes.
rcS : Call all S??* scripts in /etc/rcS.d in numerical/alphabetical order.
6，加载内核模块(module)
2.6的内核支持动态模块的加载，关于内核模块，我另外写一篇。
7，init 执行 对应run-level 级的脚本文件( Scripts )
到目前为止，内核及其模块被加载了，也完成了系统的初始化。现在要做的工作就是开启系统服务。由于不同的run-level需要开启的服务不同，所以系统为不同的run-level设定了不同的脚本。
可以看到有rc0~rc6及rcS，共8个目录。他们所包含的文件都是连接，指向/etc/init.d/目录中的文件。比较各目录中的文件你会发现， rc2~rc5中的内容是相同的。正好验证了Debian/Ubuntu中run-level 2~5是等效的。
| 以S开头的表示在对应级别Start的服务，以K开头表示Kill的服务。紧跟S或K之后的两位数字决定了启动顺序，数字小的先运行。 |
关于rcS/rcS.d，我还不是很清楚，哪位大侠指点？
8，执行 /bin/login 程序，等待用户登入
这个就不用多说了。看过APUE的都知道login要读取/etc/passwd文件。关于passwd文件，请参考APUE,p161 (第二版新版哦!)
OK，完毕，谢谢收看。有不足之处，恳请指正！
在系统加电引导时，init从run-level = 0开始，一级一级往上运行到inittab中定义的默认run-level。在run-level过渡时，init将run-level值作为参数传递给rc，进而执行启动脚本。
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