Linux内核引导过程（一）：BIOS引导

BIOS引导

    在中，BIOS（Basic Input Output System，基本输出）包括有系统BIOS（即常说的主板BIOS）、显卡BIOS和其它设备（例如IDE控制器、SCSI卡或网卡等）的BIOS等。通常所说的BIOS是指系统BIOS，其内容集成在PC主板上的一个ROM芯片上，主要保存着系统设置程序、基本输入输出程序、开机上电自检程序和系统启动自举程序等。

BIOS系统设置程序

BIOS系统设置程序，就是通常我们在开机时按下Del键进入的程序，习惯上也称为“BIOS设置”，用来配置系统基本情况、CPU特性、硬盘、PCI，板载网卡等硬件的信息。这些信息存放在一块可读写的CMOS芯片中。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)本身只是一块存储器，只具有保存数据的功能，由系统通过一块后备电池供电，因此无论是在关机状态，还是遇到系统掉电情况，CMOS信息都不会丢失。对CMOS中各项参数的设定和修改要通过专门的程序进行，BIOS系统设置程序就这样的程序。

BIOS中断服务程序

BIOS中断服务程序实质上是系统中软件与硬件之间的一个可编程接口，主要用来在程序软件与硬件之间实现衔接。例如，操作系统中对软盘、硬盘、光驱、键盘、显示器等外围设备的管理，都是直接建立在BIOS系统中断服务程序的基础上，可以通过汇编代码调用INT 5、INT 13等中断而直接调用BIOS中断服务程序。

BIOS加电自检务程序

PC按通电源后，系统首先由POST（Power On Self Test,上电自检)程序来对内部各个设备进行检查。通常完整的POST自检将包括对CPU、640K基本内存、 1M以上的扩展内存、ROM、主板、CMOS存贮器、串并口、显示卡、软硬盘子系统及键盘进行测试，一旦在自检中发现问题，系统将给出提示信息或鸣笛警告。

BIOS系统引导程序

系统在完成 POST自检后，就首先按照CMOS设置中保存的启动顺序搜索硬盘、CD-ROM、网络服务器等有效地启动驱动器，读入操作系统引导记录，然后将系统控制权交给引导记录，并由引导记录来完成系统的顺利启动。

BIOS引导过程

系统BIOS所在的ROM是被设计成CPU可直接寻址的，而且地址范围也是固定的，从F0000H至FFFFFH共64KB。PC按通电源后，电源设备开始向主板和其他设备供电，此时电压还不太稳定，主板上的控制芯片组会向CPU发出并保持一个RESET（重置）信号，让CPU内部自动恢复到初始状态，但CPU在此刻不会马上执行指令。当芯片组检测到电源已经开始稳定供电了（当然从不稳定到稳定的过程只是一瞬间的事情），它便撤去RESET信号（如果是手工按下计算机面板上的Reset按钮来重启机器，那么松开该按钮时芯片组就会撤去RESET信号）CPU进行重置，IP寄存器的值设成0，CS寄存器的值设成0xFFFF。也就是说CPU马上从地址FFFF0H处开始执行指令，这个地址在系统BIOS空间的地址范围内，CPU就是从这个固定的地址开始执行BIOS程序的。

各厂家的BIOS程序不尽相同，但基本都是完成POST自检及本地设备的枚举和初始化，包括对硬件执行一系列的测试，用来检测现在都有什么设备以及这些设备是否能正常工作，在这个阶段中，会显示一些信息，例如BIOS版本号等；初始化硬件设备，这个阶段在现代基于PCI的体系结构中相当重要，因为它可以保证所有的硬件设备操作不会引起IRQ线与I/O端口的冲突，在本阶段的最后，会显示系统中所安装的所有PCI设备的一个列表等。

BIOS自检和初始化完成后，开始执行BIOS引导程序。由于系统BIOS空间只有64KB大小，把Linux内核放在这个空间里让BIOS引导程序直接引导是不可能的，只能把内核放在硬盘里（或其他设备，如USB或网络上， BIOS根据启动顺序的设置依次查找），然后再从硬盘里引导Linux内核。但是，这时系统还处于实模式中，寻址能力只有1MB，没有硬盘上的文件系统等信息，不会直接的引导整个Linux内核，而是通过先载入一个引导装入程序，然后由这个引导装入程序来引导Linux内核。

引导装入程序通常放在第一块硬盘（或其他设备）的第一个里，这个扇区就是主引导扇区，包括硬盘MBR（Master Boot Record）、DPT（Disk Partition Table）及主引导扇区标志“55AA”，共512个字节。系统BIOS引导程序的唯一任务就是把存放在MBR中的引导装入程序载入内存的0x7C00位置（可以通过BIOS中断方式INT 13h读取磁盘指定扇区的内容），然后CPU跳转到这个地址，把控制权交给引导装入程序继续引导系统。GRUB（GRand Unified Bootloader）就是这样的一个引导程序。

GRUB引导过程

GRUB（GRand Unified Bootloader）是一个多重启动管理器。它可以在多个操作系统共存时选择启动哪个系统，可以启动的操作系统包括Linux, FreeBSD, Solaris, NetBSD, BeOS, OS/2, Windows 95/98 /NT /2000。它可以载入操作系统的内核和初始化操作系统（如Linux, FreeBSD），或者把启动权交给操作系统（如Windows 98）来完成启动。

GRUB的实质是一个mini os，它拥有shell，支持script，支持特定文件系统等。GRUB由stage1，stage1_5，stage2以及/boot/grub目录下的诸多文件（包括Grub的配置文件与相关文件系统定义文件等）组成。

stage1被编译成了一个512字节的img，写在硬盘的0面0道第1扇，它所做的唯一的事情就是装载第二引导装载程序stage2。

stage1_5写进了MBR后的15个扇区中（因为e2fs_stage1_5大小为7.5k)。硬盘上第一个文件系统分区的开始扇区最小也只能从0柱面，1磁头，1扇区开始。就是说MBR所在0磁头就只用到了1个扇区而已（其它扇区都是未用的，不属于任何分区），按照现在硬盘的规格来说，一般一个柱面磁头都有60+个扇区，所有将stage1_5写进MBR以后的扇区中，不会影响正常的文件系统分区。stage1_5就是文件系统的解释代码，根据/boot分区（或/boot所在分区）的具体文件系统类型而异，如：ext3分区的话就是 e2fs_stage1_5。在stage1_5没有被加载以前，系统无法识别任何文件系统（但是可以通过BIOS中断方式INT 13h读取磁盘指定扇区的内容）, 加载stage1_5以后就可以识别/boot所在分区的文件系统了，从而为加载stage2作好了准备。

stage2是grub最核心的部分有100多KB，所以只能放在文件系统中，放在/boot分区里，放在这里的通常还有Linux内核映像文件。加载stage2后grub会根据menulist或用户输入加载Linux内核映像文件，即将内核映像装入地址0x90000的内存中，将内核入口装入到地址0x90200的内存中，然后跳转到内核入口处开始启动内核。