Linux启动过程

说明

这里只讨论 x86 架构。

Before the kernel

MBR and BIOS

传统的操作系统都是通过 MBR 分区格式和 BIOS 来启动。简单来讲：

  1. 当计算机系统上电开机或者按了机箱上的复位按钮；此时 80x86 结构的 CPU 将自动进入实模式。
  2. CPU会自动把代码段寄存器 CS设置为0xF000，其段基地址则被设置为 0xFFFF0000，段长度设置为 64KB。而 IP 被设置为 0xFFF0，因此此时 CPU 代码指针指向 0xFFFFFFF0 处，即 4G 空间最后一个 64K 的最后 16 字节处；
  3. 这里正是系统 ROM BIOS 存放的位置。并且 BIOS 会在这里存放一条跳转指令 JMP 跳转到 BIOS 代码中 64KB 范围内的某一条指令开始执行。这部分官方内容可以在 Intel 手册的 11.1.1 章节看到：

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而其设计缘由，可追溯到 1981 年 IBM PC 机。这部分内容可参考赵炯老师的《Liunx 内核完全注释》第五版 2.3.1 章节。

  1. 所以 BIOS 是硬件到软件的桥梁，是 CPU 执行的第一条指令。BIOS 包括开机后自检程序和系统自启动程序，它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。
  2. BIOS 程序会在物理地址 0 处开始设置和初始化中断向量，然后 BIOS 直接读取磁盘上的第一个扇区（512 字节）也就是 MBR （主引导记录），加载到内存的 0x7c00 地址。然后 BIOS 就会跳到 0x7c00 这个地址，然后继续执行。BIOS 的使命结束，CPU 执行权将交给操作系统。
  3. 那么 MBR 主引导扇区放的是什么代码呢？在这里，Linux 会有一段汇编代码在这个地方，用于启动内核。后面就是初始化内核、初始化并切换到保护模式、等等。

GPT and UEFI

现在基本上用 GPT 磁盘和 UEFI 启动方式，是目前和未来增量的主流。这个过程不详细讲了，写得有点慢了，找了一篇讲得比较规范的文章可以参考：https://medium.com/@adilrk/booting-with-uefi-unified-extensible-firmware-interface-c719929b253c

官方规范可访问 UEFI 组织手册：https://uefi.org/specs/UEFI/2.10_A/02_Overview.html

Part of Liunx Boot

读完上面的内容，读者可能感觉硬件初始化后直接就启动 Liunx 了。这种启动方式就是直接加载引导程序（boot program），但实际上现在基本上都是先启动一个叫 grub 的东西，然后 grub 再去启动内核。这是一个 GNU 的项目，可以去官网查看：https://www.gnu.org/software/grub/index.html

这种启动方式就是加载引导加载程序（bootloader）。linux 基本都用 grub，但是 windows 有自己的bootloader叫做EFI bootloader，你自己装 windows 然后去 efi 分区看下 efi 引导就知道了。

Boot Process on GRUB2

简单来讲：

  1. GRUB2 根据预先的配置（或者是进入 GRUB 后，用户可以选择），加载对应的内核。这一步 GRUB 有一个自己的命令提示符，但是现在很多系统基本上会配置一个图形化的 GRUB 启动界面，例如 Kalilinux；GRUB 可以设置一些内核参数啥的，用于传递给内核。
  2. 内核文件、initial ram disk image、设备映射、硬盘设备等文件，都在文件系统的/boot目录里。读者可以自己查看一下自己电脑的该目录中有什么内容。
  3. 内核完成硬件初始化、挂载根文件系统等操作后，将启动第一个用户空间程序。
  4. 内核将控制权交给 init（PID 为 1） 或其替代品（现在用的最多的就是systemd）。通常，这个程序路径是 /sbin/init 或由内核启动参数 init= 指定。你可以输入ps -p 1看下自己用的哪一种。
    1. 如果是 systemd，那么它会启动一系列服务。一般我们通过systemctl status xxx来查看这些服务，相信这个命令你也很熟悉。
    2. systemd 的配置文件在/etc/systemd目录下。那systemd具体要怎么启动 Linux 启动后要启动的一系列程序呢，我们可以看/etc/systemd/system/default.target这个文件链接到啥文件上，也可以用systemctl get-default命令查看。这个就是 systemd 的默认目标
    3. 如果默认目标是graphical.target，那么就是常见的启动一个图形化系统。systemd 就是通过目标、服务的启动顺序和依赖关系，这样的一套机制来管理的。比如查看 graphical.target 的依赖：systemctl show graphical.target --property=Wants
    4. 如果你通过sudo systemctl set-default multi-user.target命令，将目标设置成multi-user.target，那 systemd 启动后就不会启动graphical.target的相关依赖，而是直接进入命令行界面。
    5. 同样的，最权威的资料，永远来自于官方的文档：https://systemd.io/

其他

https://www.golinuxhub.com/2017/12/step-by-step-linux-boot-process-with/

https://medium.com/@gangulysutapa96/6-stages-of-linux-boot-process-5ee84265d8a0

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