Linux启动过程全接触
来源: ChinaUnix博客 日期： 2008.11.07 00:45 (共有0条评论) 我要评论
关于Windows启动过程介绍的文章可谓多如牛毛，而对于Linux的介绍却是凤毛麟角。凡是曾经使用过Linux的用户可能都会注意到，当计算机启动时，屏幕上会出现很多信息。一般情况下，这些信息我们可以通过以下的命令看到：
cat /var/log/dmesg | more
这些信息究竟有什么含义？这个问题看起来似乎很容易回答，因为只要在Linux参考书里查找一下，就会找出一个类似于这样的答案：“这是一些内核启动信息……”。但是“内核启动信息”到底是什么意思呢？
要想对Linux内部工作有所了解，就必须要对Linux内核的体系结构有一个全面的了解。下面我们就去揭开它的秘密。在此，我不想解释Linux内核
的体系结构，只想解释（或者说是试图去解释）计算机系统启动进程中一些最基本的概念。这里所说的启动过程是指从按下开关到提示符出现的整个过程。
启动指的是什么
在操作系统的词汇里，启动是指通过处理器执行一些指令，把操作系统的一部分放入到主存中。在启动过程中，Linux内部的数据结构会被初始化，会被赋给
一些初始值，并且某些进程会被创建。因为当计算机电源打开时，所有的硬件设备都处于一种不可预知的状态，内存也处于一种不活动的随机状态，所以，计算机的
启动过程可以说是一个长且复杂的任务。因此，我们必须知道，之所以叫“启动”主要是因为计算机体系结构的原因。 网管网
在此提请读者注意：
1.对计算机内部的工作和内核的操作有一个基本的了解，对自己非常有益。
2.这篇文章中提到的所有文件，指的都是Linux内核2.4.2-2版本里的文件。这些文件对于所有的Linux内核来说都是相同的，并且可以在任何一个Linux系统里找到它们，此处我使用的是Red Hat 7.1。
3.在本文里，讨论范围限于IBM PC体系结构。
BIOS及其功能
当计算机打开电源时，内存里包含的是一些随机的数据，所有的东西都没有被初始化，操作系统也没有被加载。开始整个启动过程的是一个特殊的硬件电路，它触
发CPU的Reset脚的逻辑值。然后，一些CPU的寄存器比如CS（一个分段寄存器：代码段寄存器，它指向含有程序指令的段），eip（在执行指令过程
中，当CPU检测到一个意外事故发生时，它会做出三种类型的判断：错误、陷阱、中止，这取决于eip寄存器的值，它存储在内核模块栈里）就会被给定一个
值。接着，物理地址为0xfffffff0的代码将被执行。这个地址被存储在一个只读存储器（ROM）里。BIOS（基本输入/输出系统）实际上是一段存
储在ROM里的程序。它包含了一系列可以被某些操作系统调用，用于处理计算机各种硬件设备的中断驱动和低级程序。其中微软的DOS就是这样的一种操作系
统。 网管有家bitscn.net
Linux是否使用附于计算
机系统的BIOS来初始化硬件设备？或者说，是否有其它的东西来完成同样的任务？不过这个问题没有那么简单，必须要了解一些知识。我们从80386模式开
始。Intel微处理器实现地址翻译（从逻辑地址->线性地址->物理地址）有两种不同的途径，分别称作实模式和保护模式。实模式存在主要是
为了使得处理器可以和较老的处理相兼容。事实上，所有的BIOS程序都是在实模式下运行的。但是，Linux内核是在保护模式下运行，而不是在实模式下。
因此，一旦初始化完成后，Linux就不再使用BIOS，而是完全由自己来为计算机上的所有硬件提供驱动程序（这点和DOS是不一样的）。
那么什么时候Linux使用保护模式？为什么BIOS不能使用相同的模式？BIOS使用实模式是因为其在操作过程中使用的是实模式地址，并且在计算机刚
打开电源时，只有实模式地址可用。一个实模式地址由段地址和偏移地址组成，因此，相应的物理地址就为段地址×（2×8）+偏移。
那么，这是不是意味着在整个启动过程中，Linux就从来不使用BIOS了呢？答案是否定的。在启动阶段，Linux从硬盘或者其它外部设备加载内核时，需要使用BIOS。
让我们来看一下启动时BIOS主要做了哪些操作： 网管u家u.bitsCN.com
1.BIOS要对硬件进行一系列彻底的检测。这个步骤主要是检查系统安装有哪些设备,以及它们工作是否正常。通常把这个步骤叫做自检（Power-On Self-Test,POST），这时会显示版本及其它很多相关的硬件信息。
2.BIOS要对硬件进行初始化。这一步非常重要，因为它要保证所有的硬件设备在IRQ（中断请求）和I/O端口操作时都没有冲突。等这步完成以后，它会显示一个已经安装的PCI设备表。
3.接着到了操作系统，BIOS将查找一个可以引导的操作系统。这取决于BIOS的设置，它可以从软盘、硬盘或者光盘启动。
4.一旦发现一个合法的设备，BIOS就会把其第一扇区的内容复制到物理地址，即从0x00007c00开始的内存中，然后跳至刚加载的地址并执行之。
到此为止，BIOS所要做的工作就全部完成了。
自举程序及其功用
BIOS调用一个专门的程序，这个程序的任务就是把操作系统的内核调入内存。这个程序就叫做自举程序（Boot Loader）。在我们继续下面内容之前，先来看一下启动系统的不同途径。
1.从软盘启动Linux
从软盘启动时，存储在软盘第一扇区的指令将被加载并执行。这个指令然后就会把其余的内核复制到内存中。 网管有家bitscn.net
Linux内核可以装在1.44MB的软盘里，不过为了减少磁盘占用量，它们都进行了压缩。这个压缩过程是在编译时完成的，而解压缩的过程则由自举程序完成。
从软盘启动Linux时，自举程序要做的工作非常简单。它是一个位于/usr/src/linux-
2.4.2/arch/i386/boot/bootsect.S的汇编语言文件。当我们编译Linux内核源代码，或者获取一个新的内核时，这个可执行
的汇编代码就会被放在内核程序的前端。由此可见，要制作一个可启动的Linux软盘其实很简单。我们只要从磁盘的第一个扇区拷贝Linux内核，就可以创
建一个可启动软盘。当BIOS加载软盘的第一个扇区时，它实际上拷贝的是自举程序。自举程序由BIOS调用（跳到物理地址为0x00007c00的位
置），然后执行以下的操作：
(1)把自已从地址0x00007c00移动到0x00090000；
(2)使用地址0x00003ff4，创建“实模式”栈；
(3)设置磁盘参数表，这里使用的是BIOS提供的软盘驱动程序；
(4)通过调用BIOS程序显示“Loading”信息；
(5)自举程序调用BIOS程序来加载软盘上内核的setup()函数，并把它放在起始地址为0x00090200的内存中；
(6)接下来自举程序调用一个BIOS程序，这个程序从软盘加载剩余的内核程序，并将其放入起始地址为0x00010000（所谓的低地址）或者0x00100000（所谓的高地址）； 网管网
(7)然后，跳转到setup()函数。
2.从硬盘启动Linux 当系统从硬盘启动时，启动过程又有所不同。硬盘的第一个扇区叫做MBR（Master Boot
Record）
即是bootsect.s函数，其上存储着分区表和一个小程序。这个程序加载存储由操作系统的第一扇区来开始启动。Linux是一个高度灵活且非常优秀的软件，所以在
MBR里，它使用一个叫做LILO的程序来代替上述的那个程序。LILO允许用户选择所要启动的操作系统。
一般来说，
Linux是从硬盘启动的。这就需要不同的自举程序。在Intel系统里，用得最多的自举程序就是LILO。对于其它的体系结构，还存在着别的自举程序。
LILO可以安装在MBR上（请注意：在安装Red Hat
Linux时，有一个步骤会让用户选择把LILO安装到MBR或者引导扇区）或一个活动分区的引导扇区上。
由于LILO太
大，MBR无法容纳，所以它被分成两部分。MBR（或者磁盘分区的引导扇区）包含有一个小的自举程序，它被BIOS载入到起始地址为0x00007c00
的内存中。然后，这个小程序再把自己移到0x0009a000地址处，接着设置实模式栈，最后加载第二部分的LILO自举程序（请注意：实模式栈地址范围
是0x0009b000 到 0x0009a200）。
第二部分的LILO会从磁盘读取所有可用的操作系统，并且给用户列出，以选择所要启动的系统。一旦用户选择完成，自举程序就会加载相应的扇区内容到内存中并且执行之。 网管有家bitscn.net
自举程序被BIOS调用时（跳到物理地址为0x00007c00处），要执行以下操作：
(1)把自已从地址0x00007c00移动到0x00090000； (2)使用地址0x00003ff4，创建“实模式”栈；
(3)设置磁盘参数表。这里使用的是BIOS提供的软盘驱动程序；
(4)通过调用BIOS程序显示“Loading Linux”信息；
(5)自举程序调用BIOS程序来加载软盘上
内核的setup()函数，并把它放在起始地址为0x00090200的内存中；
(6)接下来自举程序调用一个BIOS程序，这个程序从软盘加载剩余的内核程序，并将其放入起始地址为
0x00010000或者0x00100000； (7)然后，跳转到setup()函数。
Setup（）函数的功用
现在我们就可以深入研究一下自举过程中不可缺少的汇编语言函数了。
Setup（）函数可以在/usr/src/linux-2.4.2/arch/i386/boot/setup.S文件中找到。
Setup（）函数代码是在完整的内核自举程序加载以后，才会跳到相应的函数代码处。在内核文件中，其偏移地址是0x200。这使得自举程序很容易找到这段代码，并将其拷贝到起始物理地址为0x00090200的内存中。
这个Setup()文函数到底是做什么用的？在计算机时里，内核要正确地操作所有硬件就必需首先要检测到它们，并且以一种有序的方式进行初始化。Setup()函数初始化所有的硬件设备，从而为内核操作它创造了一个环境。
但是，前面我们不是已经提到过BIOS会检测所有的硬件吗？虽然BIOS初始化了所有的硬件，但是Linux内核并不放心，它还要以自己的方式对所有的
硬件进行初始化。Linux内核之所以要设计成这样，是为了增强可移植性和稳定性。这也是Linux内核要优于很多目前可用的Unix和类Unix内核的
原因之一，并且也使得它在很多方面表现的非常出众。
Setup()函数主要完成以下任务：
(1)首先是检测系统可用内存的总量，它是通过BIOS程序来完成检测的； 网管朋友网www_bitscn_net
(2)设置键盘重复延迟时间和重复速度；
(3)检测视频卡；
(4)重新初始化硬盘控制器和硬盘参数；把获得的参数
放在90000 开始的地址 也就是把bootsect.s覆盖了
(5)检测一个MCA；
(6)检测一个PS/2定点设备（鼠标总线）；
(7)检测高级电源管理器（APM）BIOS支持；
(8)检测内核在内存中的位置，如果在低地址0x00010000，就将其移到高地址0x00001000，如在高地址则不做任何移动；
(9)设置设备中断描述表（IDT）和全局描述表（GDT）；
(10)如已经有了浮点单位（FPU），则重置之；
(11)重新调用程序中断控制器；
(12)通过设置cr0状态寄存器的PE位，把CPU从“实模式”切换到“保护模式”；
(13)跳转到stratup_32( )汇编语言函数。
第一个stratup_32( )函数做什么
在启动过程中要用到两个stratup_32( )函数，虽然它们都是汇编语言函数，但是却是两个完全不同的函数。我们这里所说的函数包含在/usr/src/linux-2.4.2/arch/i386/boot/compressed/head.S文件里。
Setup()文件执行后，这个函数就被加载到物理地址为0x00100000或者物理地址为0x00001000的内存中（取决于内核是载入高或者低内存）。 网管朋友网www_bitscn_net
当执行这个函数时，会执行以下的操作：
(1)初始化段寄存器和一个临时栈。
(2)内核中没有初始化的数据都用0填充。它是通过symbols _edata和 _end来识别的。
(3)执行decompress_kernel(
)函数。这个函数用于对Linux内核解压缩。这个时候，屏幕上将显示“Uncompressing
Linux……”信息。解压缩完成后，就会显示“OK, booting the
kernel”信息。现在有一个问题,就是解完压缩的内核被放置在什么位置？答案是如果Linux内核被加载低地址，那么解压缩的内核将被置于物理地址为
0x00100000的地方。如果在高地址，则内核会被先解压到一个临时缓冲区中，待完成后再将其加载到物理地址为0x00100000的地方。
(4)最后，跳转到物理地址为0x00100000的地方执行。
到此为止，代码执行操作就由另外一个startup_32( )函数来接管。也就是说，第二个startup_32( )函数接管了启动过程。
第二个startup_32( )函数完成的功能
解压缩Linux内核的工作由另外一个startup_32( )函数来完成。该函数位于/usr/src/linux-2.4.2/arch/i386/kernel/head.S文件中。
这时你可能会说两个不同的函数用同一个名字不会出错吗？答案是不会的。因为两个函数都是到自己初始地址去执行，并且都有自己的执行环境，所以不会出错。 网管u家
下面我们来看一下第二个startup_32( )函数的功能。当执行这个函数时，实际上是为第一个Linux进程（process 0）设置环境。这个函数将执行下面的操作：
(1)段寄存器将以最后的值进行初始化；
(2)为process 0设置内核模式栈；
(3)调用并且执行setup_idt( )函数，该函数将把所有的IDT填充空值；
(4)把从BIOS中获得的参数放在第一页的框架中；
(5)识别处理器的模式；
(6)使用GDT和IDT表加载gdtr和idtr寄存器；
(7)最后跳到start_kernel( )函数。
start_kernel( )函数功能
start_kernel( )函数完成Linux内核的初始化工作。这个函数执行后，所有的基本内核组件都将被初始化。这也是整个启动过程的最后一步。
该函数将完成以下的功能：
(1)执行paging_init( )函数初始化页表（Page Tables）；
(2)执行mem_init( )函数初始化页描述符（Page Descriptors）；
(3)执行trap_init( ) 和 init_IRQ( )函数，最后一次对IDT进行初始化；
(4)执行kmem_cache_init( )和kmem_cache_sizes_init ( )函数，对Slab Allocator进行初始化； 网管u家u.bitsCN.com
(5)执行time_init( )函数，初始化系统日期和时间；
(6)内核的线程process 1是通过调用kernel_thread( )来完成的。接着就建立其它的内核线程并且执行/sbin/init程序。
到此屏幕上就会显示“Linux version 2.4.2 ……”信息。此外，还会显示很多其它信息。最后，就会出现用户的登录提示符。这是在告诉用户Linux内核已经加载完成，用户已经可以使用。
总结
到现在为止，整个启动过程都已经描述完毕。其中提到的许多词汇我都没有解释，只简要说了一下IDT、GDT、eip寄存器和cs寄存器等。因为要对这些
内容进行完整的解释需要很长篇幅，并且会导致我们这个话题不完整。如果要进行更深入地研究，请到Linux社区去求助，或者查找相关的资料。
本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：
http://blog.chinaunix.net/u2/61254/showart_1385556.html
linux2.6内核启动流程来源: ChinaUnix博客 日期： 2008.11.06 08:41 (共有0条评论) 我要评论
计算机在启动时都是先加电,然后进行硬件检测并引导操作系统的初始化程序,然后操作系统的初始化程序程负责读入系统内核并建产系统的运行环境.一这过程相对来说比较复而且与CPU体系结构相关,这里我们通过linux并以i386的体系结构对这一过程进行较为详细的说明.
一、硬件检测
当
机器加电后它首先执行BIOS(基本输入输出系统)中的代码，BIOS首先执行加电自检程序(POST)，当自检通过程便完成了硬件的启动。POST程序
通过对内存及其他硬件的设备的诊断检测确定硬件的存在并可正确操作。BIOS是固化在芯片里的程序，执行这一过程一般只需要几秒钟。当自检完成后
BIOS按照系统COMS中设置的启动顺序搜寻有效的启动驱动器(这里我们以硬盘为例)，并读入系统引导扇区，并将系统控制权交给引导程序。
二、加载和执行引导程序
系
统引导程序主要是把系统内核装载到内存，启动盘必须在第一个逻辑磁道上包含引导记录。这512个字节的扇区又被称作是引导扇区，在系统完成加电自检后，
BIOS从启动盘中将引导扇区读入到内存中。引导记录中包含了一些磁盘的物理特性的参数。在引导扇区被读入内存后，BIOS就能从这里读取到启动盘的物理
参数。一旦引导记录加载完毕，BIOS就交出系统的执行控制权，跳转到引导程序
的头部执行。引导记录开头是一条无条件转移指令，它将立即跳转到地址0x03e执行引导程序，在引导扇区中这个引导程序将从磁盘中读出其他几个更为复杂的程序并由它们加载系统内核。
Linux的
引导程序由汇编代码文件arch/i386/boot/bootsect.S生成，它利用对BIOS功能的调用将
arch/i386/boot/下的setup.S文件和内核映象加载到内存。i386的体系结构的CPU分保护模式和实模式两种，在实模式下只能使用低
端的640K内存。系统在加载引导程序时CPU是处在实模式下，而现在的内核映象文件一般都超过了640K的限制，即使是经过压缩过的内核映象，这个内核
映象文件通常是bzImage,我们在编译内核时通常要用到这个文件。由于bzImage超出了640K这一限制，所以linux设
计了一个
bootsect_helper子程序(定义在arch/i386/boot/setup.S中)，引导程序通过循环调用bootsect_helper
将内核映象一块一块的装入内存，当内核加载完毕，系统跳转到setup.S的开始位置开始执行，setup.S仍在实模式下运行，主要功能是设置系统参数
(如：内存、磁盘等),并为进入保护模式做准备,最后进入到保护模式并跳转到内核映象文件的头部开始执行内核。这里提一下有关linux的
引导程序
lilo和grub，lilo和grub可以引导多个系统，如果机器上要装多系统的话一般都会用到它们，这一引导程序也储存在引导扇区中或者存放在主引导
记录中(MBR)，lilo和grub都许允用户自己配置，它们在系统安装时建立了关于系统内核占用磁盘数据块的位置对照表。当用户选择启动linux系统后，同样也跳转到setup.S上运行。
三、内核初始化
当setup.S执行完后，CPU进行保护模式，并开始执行内核，如果内核是经过压缩的，那么首先执行 arch/i386/boot/compressed目录下的head.S建立堆栈并解压内核映象文件，然后再转入arch/i386/kernel下的 head.S。如果没有压缩则直接转到arch/i386/kernel下的head.S开始执行。arch/i386/kernel/head.S程序负责数据区(BBS)、中断描述表(IDT)、段描述表(GDT)、页表和寄存器的初始化。最后进入start_kernel()模块。
此时系统运行在内核模式(0级别)下，转入到init/main.c中的start_kernel()。start_kernel()继续其他方面的初始化工作，主要是初始化系统的核心数据结构，主要包括：
setup_arch():执行与体系结构相关的设置。
trap_init():设置各种入口地址。
init_IRQ():初始化IRQ中断处理机制。
sched_init():设置并启动第一个进程init_task()。
softirq_init():对软中断子系统进行初始化。
console_init():初始化控制台、显示器.
init_modules():初始化kernel_module。
fork_init():定义系统最大进程数.
最后进入rest_init()函数并调用kernel_thread()创建init内核线程,进行系统配置。
init内核线程占用进程描述表的第一项，由它来创建其他完成系统初始他的进程。
init内核线程首先要销定内核，然后调用do_basic_setup()来初始化外部设备及加载驱动程序。主
要的初始化工作包括：
PCI总线初始化。
网络初始化。
文件系统初始化。
加载文件系统。
在do_basic_setup()调用完成后，init()会释放初始化函数据占用的内存，并且打开/dev/console
设备重新定向控制台,用系统调用execve来执行用户态程序/sbin/init。至此，linux的内核初始化工作完成。
下面的工作就由用户态的/sbin/init程序来完成。init程序程读取/etc/inittab文件来决定它具体的工作。在inittab中比较重要的几条是：
id:5:initdefault 决定操作系统启动时缺省的执行级别(这里说讲的是系统的运行级别，而不同于CPU的级别)
si:sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit 执行/etc/rc.d/rc.sysinit的脚本。rc.sysinit主要的工作是 激活交换分区、检查磁盘、加载硬件模块。
1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1 显示登录界面
至此，整个系统的引导过程就完成了。希望这篇文章对大家学习操作系统能有所帮助。
本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：
http://blog.chinaunix.net/u2/78437/showart_1361904.html 