Linux系统引导流程

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所属分类:操作系统

 Linux系统的引导过程主要分为三个阶段。

  第一阶段:开机->POST->INT19->BIOS->MBR

当用户打开电脑的电源,电脑会对系统硬件配置进行一系列检测,这个过程称为POST(Power on Self Test),即上电自检过程。系统测试成功之后,接着将BIOS的中断处理程序各个中断向量装配到内存的低1024个字节单元。在这些中断向量中,初始引导程序是以中断类型为19H进行装配的。中断向量结束后,CPU执行类型为19H的中断,其功能是执行BIOS所带的系统初始化程序,称为磁盘自举中断或者重引导中断(reboot interrupt),当按下Ctrl+Alt+Del键,系统就会执行19H号中断,重新引导系统。CPU执行19H号中断的初始引导程序,以便从启动盘读取加载操作系统的引导程序Bootsect.S。该初始化引导程序按照CMOS里面设置的启动盘启动顺序查找相应盘的MBR,如果找到 引导程序,则将MBR中的引导程序读到内存0000:7C00处,并执行这个引导程序将内核代码全部转入内存。

  第二阶段:MBR->LILO->活动分区引导Linux

初始引导程序将MBR中的LILO读到内存并执行,由LILO把Linux的全部内核装入内存。Linux除了可以使用LILO引导之外,还可以使用GRUB等引导程序引导。LILO的功能由三个主要程序来完成:第一个是把Linux内核或者其他操作系统的可执行代码写入内存的引导程序,称为启动加载器;第二个负载把boot loader程序的可执行代码写入引导分区,并将原来的boot loader做备份,它的可执行文是/sbin/lilo;第三个是存放LILO配置信息的/etc/lilo.conf等配置文件。这三个文件都是LILO启动是所必须的。

当引导程序成功完成引导任务后,Linux从他们手中接管了CPU的控制权,然后CPU就开始执行Linux的核心映像代码,开始Linux的启动过程。这里涉及到Linux源代码树中的“arch/i386/boot”下面的一些文件。其中bootsect.s是生成引导扇区的汇编源代码,它完成加载动作后直接跳转到setup.s的程序入口。setup.s的主要功能就是将系统参数(包括内存、磁盘等,由BIOS返回的)拷贝到特别的内存中,以便以后这些参数被保护模式下的代码来读取。setup.s还将video.s中的代码包含进来,检测和设置显示器和显示模式。最后,setup.s将系统转换到保护模式,并跳转到0x100000。这个内存地址存放的是解压后的内核,因为redhat提供的内核包含了众多驱动和功能而显得比较大,所以在内核编译中使用了makebzImage方式,从而生成压缩过的内核,在redhat中内核常常被命名为vmlinuz,在Linux的最初引导中,通过"arch/i386/boot/compress/"中的head.s利用misc.c中定义的decompress_kernel()函数,将内核vmlinuz解压到0x100000的。

当CPU跳到0x10000时,将执行"arch/i386/kernel/head.s"中的startup_32,它也是vmlinux的入口,然后就跳转到start_kernel()中去。start_kernel()是"init/main.c"中的定义函数,start_kernel()中调用了一系列初始化函数,以完成kernel本身的设置。start_kernel()函数中,做了大量的工作来建立基本的Linux核心环境。如果顺利执行完start_kernel(),则基本的Linux核心环境就建立起来了。

在start_kernel()的最后,通过调用init()函数,系统创建第一个核心线程,启动了init过程。而核心线程init()主要是进行一些外设初始化工作,包括调用do_basic_setup()来完成外设及其驱动程序的加载和初始化。当do_basic_setup()函数返回init(),init()函数又打开/dev/console设备,重定向三个标准的输入输出文件stdin,stdout,stderr到控制台,最后,搜索文件系统中的init程序(或者由init=命令行参数指定的程序),并使用execve()系统调用加载init程序。到这里,init()函数结束,内核的引导部分也基本结束了。

接下来运行init,init的进程号是1,它是系统所有进程的起点,Linux在完成内核引导以后,就开始运行init程序。init程序需要读取配置文件/etc/inittab中设置的系统运行级别,inittab是一个不可执行的文本文件,它由若干行指令组成。然后调用执行/etc/rc.d/rc.sysinit,而rc.sysinit是一个bash shell的脚本,它主要是进行一些系统初始化的工作,rc.sysinit是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。它要完成的工作有:激活交换分区,检查磁盘,加载硬件模块以及其他一些需要优先执行任务。当rc.sysinit程序执行完毕后,将返回init,启动对应运行级别的守护进程,通常接下来会执行到"/etc/rc.d/rc"程序。至于在每个运行级别中将运行那些守护进程,可以通过chkconfig或setup中的System Service来自行设定。rc程序执行完将返回init,建立终端。这时进步系统环境已经设置好了,各种守护进程也已经启动了。

  第三阶段:检测硬件->启动服务->LOGIN登陆

上面的工作完成后,Linux系统开始检测硬件,启动相应的服务,然后进行系统登陆。对于文本方式登陆,Linux先用账号验证程序login对用户名进行分析,在分析完用户名之后,login将搜索/etc/passwd以及/etc/shadow来验证密码以及设置账号的其他信息,比如主目录是什么,使用何种shell。如果没有指定主目录,将默认为根目录,如果没有指定shell,将默认为/bin/bash。login程序成功之后,会向对应的终端输出最近一次登陆的信息(在/var/log/lastlog中有记录),并检查用户是否有新邮件。然后开始设置各种环境变量。各种环境变量设置好之后,出现shell命令行提示符,到此整个Linux启动过程全部结束。

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