Linux启动过程详解

作者：江远航

一、启动流程图如下

图1 Linux启动流程图

BIOS ---> MBR

---> Kernel---> Init

二、Linux启动顺序

一>  BIOS初始化

1、电脑周边设备检查

侦测周围设备是否正常工作，如CPU类型、速度、缓存等、主板类型、内存速

度、内存容量、硬盘大小、硬盘类型、硬盘工作模式、风扇速度等。

2、选择设备开机

软盘启动、光盘启动、网络启动、硬盘启动。

3、选择好哪个设备开机之后，读取这个设备的MBR引导扇区。

4、MBR(Master Boot Record，即的主引导记录)。

主要作用引导磁盘操作系统启动。MBR是一个512字节大小的扇区，位于磁盘上的第一个扇区中(0道0柱面1扇区)，它由三个部分组成，主引导程序、、硬盘有效标志(55AA)。

第一部分是里主引导程序(boot loader)占446个字节。

第二部分是分区表占64个字节，硬盘中分区有多少以及每一分区的大小都记在其中。第三部分是magic

number，占2个字节，固定为55AA。

BIOS不是查找操作系统，而是主引导记录。BIOS搜索MBR是否有完整的主

引导记录，如果有，则认为硬盘有操作系统，然后BIOS将MBR整段装载到内存

RAM，将控制权交给MBR。

二>

BootLoader

1、Boot Loader安装

1)安装在硬盘MBR。

2)MBR被其他开机管理程序占用，就可以将Bootloader安装在硬盘其中一个分区的引导扇区上。

2、Boot Loader启动过程。

图2Bootloader启动流程图

Stage1(在Flash中运行)：

1)初始化硬件，为stage2及kernel执行准备硬件环境。

包括屏蔽所有中断、设置CPU速度及时钟频率、RAM初始化、初始化LED、关闭CPU指令/Cache数据。

2)为stage2准备RAM空间。

为了获得更快的执行速度，通常把stage2加载到RAM空间执行，因此必须为加

载stage2准备好一段可用的RAM空间范围。

由于stage2通常是C语言执行代码，因此在考虑空间大小时，除stage2映像的大小外，还须把堆栈空间考虑进来。(空间大小最好是memory

page(通常是4KB)倍数，一般1M的RAM空间足够)

3)拷贝uboot到RAM空间。

拷贝时要确定stage2的可执行映像在固态存储设备(ROM、EEPROM或FLASH等)的存放起始地址和终止地址以及RAM空间的起始地址。

4)设置堆栈。

设置堆栈指针是为执行C语言代码做好准备，此外，在设置堆栈指针SP之前，也可以关闭LED灯，以提示用户准备跳转到stage2。

上述就绪后，可以跳转到stage2去执行。(比如在RAM系统中，可以通过修

改PC寄存器为合适的地址来实现)

Stage2(拷贝至RAM中运行)：

1)初始化本阶段需要用到的硬件设备。

通常包括：至少初始化一个串口以便和终端用户进行I/O输出信息，初始化计时器等。在初始化这些设备之前，可以重新把LED灯点亮，表明已经进入main函数执行。设备初始化完成，可以输出一些打印信息，程序名字字符串、版本号等。

2)检测系统内存映射。

内存映射指在整个4GB物理地址空间中，哪些地址范围被分配用来寻址系统的RAM单元。检测系统内存映射的目的是要知道CPU预留的全部RAM地址空间中的哪些被真正映射到RAM地址单元。

规划内存占用布局包括两方面：内核映射所占用的内存范围；根文件系统所占用的内存范围。在规划内存占用的布局时，主要考虑基地址和映射的大小。

3)设置内核启动参数

将内核映像和根文件系统映像拷贝到RAM空间后，就可以准备启动Linux内核，但在调用内核之前，须设置Linux内核启动参数。

BootLoader可以通过两种方式传递参数给内核，一种是旧的参数结构方式(parameter_struct)(2.6之前内核版本)，另外一种是现在2.6版本在用的参数链表方式(tagged_list)，这些参数主要包括，系统的根设备标志，页面大小，内存的起始地址和大小，RAMDISK的起始地址和大小，压缩的RAMDISK根文件系统的起始地址和大小，内核命令参数等。

4)调用内核

Bootloader调用Linux内核的方法是直接跳转到内核的第一条指令处，也即是直接跳转到MEM_START+0x8000地址处。

5)消亡

图3Flash与RAM映射及初始化图

系统加电或复位后，所有的CPU通常都从某个由CPU制造商预先安排的地址上取指令。比如，基于ARM7TDMI core的CPU在复位时通常都从地址0x00000000取它的第一条指令。而基于CPU构建的嵌入式系统通常将固态存储设备(ROM、EEPROM或FLASH等)被映射到这个预先安排的地址上，当Bootloader放到Flash的起始处后，系统加电后，CPU将首先执行BootLoader程序。

三>启动GRUB

GNU GRUB和GRUB是GRand

Unified Bootloader的缩写，它是一个多重启动管理器。用来引导不同系统，如windows/linux。

MBR后面64字节是分区表，从分区表中可以知道有没有活动分区，以及哪些是活动分区，通常活动分区就是操作系统所在的分区。GRUB可以建立在MBR中，也可以建立在分区中。

从MBR载入Bootloader开始、载入kernel、载入init这些程序，都是由GRUB这个开机管理程序负责(/boot/grub/grub.conf)

引导过程

1、由硬盘启动时，BIOS通常是转向第一块硬盘的第一个，即(MBR)。

2、装载GRUB和的过程，包括：

1)装载记录

基本引导装载程序所做的唯一的事情就是装载第二引导装载程序。

2)装载Grub

第二引导装载程序实际上是引出更高级的功能，以允许用户装载一个特定的。

3)装载系统

如。GRUB把机器的控制权移交给。

不同的是，都是使用一种称为链式装载的引导方法来启动的，，仅仅是简单地指向操作系统所在分区的第一个。

四>加载内核

当内核映像被加载到内存之后，内核阶段就开始，内核映像并不是一个可执行的内核，而是一个压缩过的内核映像，通常是zImage(压缩映像小于512KB)或bzImage(较大的压缩映像，大于512KB)。在这个内核映像前面是一个例程，现实少量硬件设置，并对内核映像中包含的内核进行解压，然后将其放入高端内存中，然后该例程会调用内核，并开始启动内核引导的过程。

1)检测电脑硬件设备。

2)将检测到的硬件驱动程序载入Kernel。(守护进程kerneld)

3)如果必要的驱动程序载入Kernel后将根目录以只读的方式挂载进来。

4)Kernel载入第一个程序init进程。

在/sbin/init上来查寻init，如果没有找到init，就会试着运行/bin/sh，如果还是失败了，那么系统的启动就宣告失败了。

五> Init

在UNIX里，除了进程0(即PID=0的交换进程，Swapper

Process)以外的所有进程都是由其他进程使用fork创建的，这里调用fork创建新进程的进程即为父进程，而相对应的为其创建出的进程则为子进程，因而除了进程0以外的进程都只有一个父进程，但一个进程可以有多个子进程。

以进程标识符(Process

Identifier，即PID)来识别进程。进程0是系统引导时创建的一个特殊进程，在其调用fork创建出一个子进程(即PID=1的进程1，又称init)后，进程0就转为交换进程(有时也被称为空闲进程)，而进程1(init进程)就是系统里其他所有进程的祖先。(fork后相当于复制了一份，也就相当于一个副本，所以在以后的程序执行，父进程改变父进程的数据，子进程改变子进程的数据)

init进程是系统所有进程的起点，在完成内核引导后，在本进程空间加载init程序，它的进程号是1。s

1、init进程作用

1)扮演终结父进程角色。

init进程永远不会终止，所以系统确信它的存在，并在必要时以它为参照。如果某个进程在它衍生出来的全部子进程结束前被终止，就会出现以init为参照的情况，这个子进程立刻成为init的子进程，init进程自动对终止的子进程调用wait，防止产生僵尸进程。

2)进入某个特定的运行级别(Runlevlel)时运行相应的程序，以此对各种运行级别进行

管理。(由/etc/inittab文件定义)

Init程序读取/etc/inittab文件决定做哪些操作

1)决定预设要使用哪个Run Level

2)Init会初始化作业系统的程序/etc/rc.d/rc.sysinit

3)Init根据执行的Run level来对应目录里的程序，决定开启哪些服务

操作系统

操作系统(英语：Operating System，简称OS)是管理与资源的，同时也是的核心与基石。操作系统身负诸如管理与配置、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与、操作与管理等基本事务。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作接口。

操作系统的形态非常多样，不同机器安装的操作系统可从简单到复杂，可从的到的大型操作系统。许多操作系统制造者对它涵盖范畴的定义也不尽一致，例如有些操作系统集成了，而有些仅使用文字接口，而将图形接口视为一种非必要的应用。

操作系统理论在科学中，为历史悠久而又活跃的分支；而操作系统的设计与实现则是工业的基础与核心。

2内核

内核，是一个操作系统的核心。它负责管理系统的进程、、设备、文件和系统，决定着系统的性能和稳定性。

“内核”指的是一个提供抽象层、磁盘及控制、多任务等功能的。一个内核不是一套完整的操作系统。一套基于Linux内核的完整操作系统叫作Linux操作系统，或是GNU/Linux。

内核是操作系统最基本的部分。它是为众多应用提供对的安全访问的一部分，这种访问是有限的，并且内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。直接对操作是非常复杂的，所以内核通常提供一种硬件抽象的方法来完成这些操作。抽象隐藏了复杂性，为和硬件提供了一套简洁，统一的接口，使更为简单。s

严格地说，内核并不是计算机系统中必要的组成部分。可以直接地被调入中执行，这样的设计说明了设计者不希望提供任何抽象和操作系统的支持，它常见于早期计算机系统的设计中。最终，一些辅助性，例如程序加载器和调试器，被设计到机器核心当中，或者固化在里。这些变化发生时，操作系统内核的概念就渐渐明晰起来了。

摘自：

《基于嵌入式ARM的Bootloader研究与实现》

《Bootloader研究》s