Re: 关于Linux启动过程分析

2007/8/17镜像同步2 回复

【在 piaoice 的大作中提到: 】 : 周五下午也没啥事，正好刚才看见有说grub相关的。把自己对Linux启动过程的理解写了个文档。其中会有很多问题，启动过程有些地方也不明确，贴出来大家多多讨论。 The Boot Process of RH Linux in X86 System (20070818 ) by Wang. 本文分析GNU/Linux系统启动过程的细节，也就是从开机（按下power键）到登录系统login这个阶段，我们的系统在启动过程中都做了什么事。其中，我们重点分析Linux启动过程中，将vmlinuz和initrd文件载入内存后，系统都做了什么事。不同的Linux发行版，或者同一个Linux发行版，在不同的平台上，其系统启动过程会有所差别，本文以RHEL5在X86平台上的启动过程为例，分析Linux的启动过程。首先，操作系统启动的过程，实际上可以看成是控制权移交的过程。我们先粗略的将RHEL5 在X86上启动过程分为以下5个阶段： 1、开机主板BISO自检到MBR阶段; 2、在MBR启动bootloader (grub)到 /boot将stage2载入内存阶段； 3、将vmlinuz和initrd载入内存，以及之后vmlinuz和initrd所做的相关工作; 4、启动/sbin/init进程，检查相关文件系统并挂载，以及启动相关服务操作； 5、进入login界面。其细节如下：阶段1：系统开机上电BIOS过程。控制权在主板BIOS。系统Power on上电后，启动主板BIOS程序，系统将会执行POST(Power On Self Test)代码来对各设备进行检查，譬如CPU、显卡、内存、鼠标键盘等。BIOS相当于提供了一个和系统设备最底级别的接口。POST自检过程中若发现系统设备出现任何问题，会给出提示信息并鸣笛警告。 BIOS自检完成后，会启动自举程序，根绝我们在BIOS中设置的启动顺序搜索启动驱动器。比如我们的硬盘、光驱、网络服务器等。阶段2：boot loader过程。控制权在boot loader。 Boot Loader，简单的说就是启动系统的程序，如grub, lilo，也可以将boot loader本身看成一个小系统。如阶段1过程所述，假设系统通过硬盘引导，那么BIOS会将MBR中的内容读入内存。MBR（Mast Boot Record）是硬盘的第一个扇区，共512字节，其中包含了硬盘的分区信息以及boot loader的一部分信息。这个时候，控制权在MBR。 MBR中的信息被载入内存，系统启动的控制权移交到MBR后。系统会启动Boot Loader，在这里是grub。实际上，grub分为stage1和stage2阶段（准确的说中间还可能有stage1.5阶段）。其中，stage1是安装在MBR的二进制机器代码，它唯一的作用就是定位stage2位于硬盘上的哪个分区位置，并将其载入内存。一般来说，stage2安装在/boot分区，一旦stage2载入内存后，就会图形化的方式将grub界面呈现给用户（这个界面大家应该常见）。阶段3：内核引导阶段。如阶段2所述，grub界面起来后，用户选择要启动的系统，回车，grub的控制权就到此结束，移交给所启动的系统。这里我们以交互的方式来启动系统。在grub页面，按键盘c进入grub页面。执行 kernel /vmlinuz-**（版本号）这一步是将内核载入内存；执行initrd /initrd-**.img ，这一步将initrd载入内存，关于initrd在后面会详述其细节。执行boot 后，就启动我们所选择的系统了。现在我们详细分析这一阶段的细节：一旦vmlinuz载入内存，此时控制权就移交给内核。内核会立即初始化系统中各设备并做相关配置工作，其中包括CPU、I/O、存储设备等。（关于这部分工作，细节上的处理还不清楚）。之后内核会定位之前载入内存的initrd文件。在2.6内核中，支持两种格式的initrd，一种是2.4内核的文件系统镜像 image-initrd，一种是cpio格式。我们以cpio格式为例，内核判断initrd为cpio的文件格式后，会将initrd中的内容释放到rootfs中。插一段话，关于initrd，可以看成是一种基于内存的文件系统，启动过程中，系统在访问真正的根文件系统 / 时，会先访问initrd文件系统。我们可以将initrd中的内容打开来看，会发现有bin、devetc、lib、procsys、sysroot、init等文件（包含目录）。其中包含了一些设备的驱模拟块，比如scsi ata等设备驱动模块，同时还有几个基本的可执行程序insmod, modprobe, lvm，nash。主要目的是加载一些存储介质的驱动模块，如上面所说的scsi ideusb等设备驱动模块。然后初始化LVM。 initrd中的内容释放到rootfs中后，内核会执行其中的init文件，这里的init是一个脚本，由nash解释器执行。nash是RedHat写的一个脚本解释器，我们在系统启动过程中，也能看见这么一个标志：nash版本****。这东西的目的就是在这里去执行init文件中的内容。这个时候内核的控制权就移交给init文件处理，我们查看init文件的内容，主要也是加载各种设备驱动，主要是存储介质相关。驱动加载后，会创建一个根设备，然后将我们实际的根文件系统 / ，以只读的方式挂载。这步结束后，会执行switchroot，转换到真正的根/上面去，同时运行/sbin/init程序。关于switchroot，这是在nash中定义的程序。阶段4：执行/sbin/init程序后，我们的1号进程就起来了。是系统中以后各进程的祖先，进程树的根。这之后的工作，各Linux发行版的工作就类似了。主要工作就是检查文件系统并挂载，加载各项服务以及用户环境的配置等。涉及的主要文件：/etc/fstab，根据fstab文件检查文件系统，并且第二次以读写方式挂载实际的根文件系统 / ，以及挂载fstab上描述的其它文件系统。/etc/rc.sysinit, /etc/inittab, /etc/rc.d/rcX.d/... , /etc/rc.d/init.d/... ,/etc/rc.d/rc.local根绝这几个文件，确定运行级别，以及所要启动的服务，用户环境等。其细节不详述，关于这rc.sysinit这个文件也没分析过。阶段5：上述阶段一切正常，进入login界面。尾注：以上是对Linux启动过程所做事情的一些分析，并没有深入到代码一级的分析。其中也有一些不明确的地方。比如说内核载入内存后，关于rootfs文件系统的代码一级的操作，并不清楚，暂时也没找到在哪儿做的这个工作。 PS：鉴于对Linux认识有限，以上所述肯定会存在很多问题。在这里先免责声明哈：）

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2 条回复

SC80T机器人#1 · 2007/8/17

哇 colyli大哥呵呵我来补充下这个第一阶段，呵呵，以前看书抄的笔记，现在直接打上来 1.按下开关，电源供电，主板向CPU发送并保持Reset信号知道稳定供电（我猜测就是指电压稳定），CPU马上从FFFF0H处开始执行指令，为跳转指令，跳到系统bios中真正的启动代码 2.POST（这是简写，是啥应该都知道吧），这里只检查640KB常规内存（接触过dos和接触过底层的都知道这东西的） 3.查找显卡BIOS，通常在C0000H处，调用，初始化显卡（有提示信息）（应该就是开机的滴声以后的那个显卡信息，就是只有显卡型号和显存大小的信息那个），接着查找其他bios，初始化（这个还有哪些有啊，不懂） 4.查找完其他bios后，系统bios显示出自己的启动画面（就是前面显卡信息显示完后的那个屏幕里面上面那部分，知道award 6.00PG XXXXXX完） 5.检测，显示CPU类型，工作频率，并测试所有的RAM（这个过程也有信息的，就是紧接上面那部分的） 6.检测一些标准硬件设备（好像就是硬盘，光驱，还有主板上面那些什么时钟啊之类的特别老的设备，新设备都不在里面），绝大多数新bios还会检测，设置内存时序，硬盘参数和访问方式 7.bios内部支持即插即用（PNP）代码检测，配置即插即用设备，显示设备名称型号，分配中断，DMA和I/O端口资源（个人认为这些就是比较新的设备了，不过比较新也是相对上面来说的，现在来看也是很标准的设备了） 8.多数清屏，并概略的列成表格，显示各种标准硬件设备，以及他们使用的资源和一些工作参数（如果是在用grub的话，就是grub加载信息上面那一屏，不过一般闪过的比较快） 9.更新ESCD（这个也是有信息提示的，就提示Updating ESCD.........），ESCD在CMOS里面 10.重硬盘，光驱，软盘启动，如果是硬盘，在bios里面已经写好了读第一个扇区（也就是MBR），通过MBR 1)grub,通过grub里面的东西来读和配置东西，有个很重要的东西grub.conf 2)是windows系列的，找到Actve partition，也就是有80的那个（呵呵，这里卖弄一下），再读取执行分区引导记录，再读取，执行IO.SYS或者NTLDR 如果热启动，post被skip,直接从第3步开始，第5部也不再执行终于打完了……，呵呵，上面说得提示信息，发现本上面很多被hide了，台式上面是很清楚的 PS：我写的时候，ls都还没回复呢……

CNLAS机器人#2 · 2007/8/17

写的很不错啊。。。不过建议还是看看代码。。。grub这个东西我觉得是除了linuxkernel之外gnu里最值得看源代码的东西了。。。这玩意的彻底分析当毕设都够了。。。XD 那我就扫尾一下解决一些遗留问题。。。XD 以下所说的过程和代码以grub0.97版为例。。。grub2和1的启动过程有点区别。。。后面再说。。。给出的路径大部分是指源代码包的 1、BIOS启动sc80t说了。。。但是注意一点BIOS是参与内存编址的。。。所以不存在读入物理内存这个概念 2、BIOS将0头0道1扇区也就是MBR读入内存地址0x7c00处。。。然后检查0x7dfe是否等于0xaa55（WORD）确认是有效MBR后开始执行 3、Grub安装好后0头0道1扇区就是stage1（/stage1/stage1.s）。。。其实stage1的任务非常的单纯。。。去读取0头0道2扇区然后闪人。。。XD 0头0道2扇区的内容就是源代码里\stage2\start.s编译后也是一个512字节。。。stage1将start.s读入内存地址0x8000然后跳过去执行 4、start.s就是stage1.5 or stage2的入口。。。一般情况下stage2还是放在需要具体的文件系统下的。。。这个时候需要读取stage1.5。。。但是注意。。。这里的stage1.5不是/boot目录下的那些文件。。。你都能读取/boot目录了还要stage1.5干嘛。。。所以这里的stage1.5是将/boot目录对应的分区格式的stage1.5文件复制到了0头0道3扇区开始向后的位置。。。stage1.5文件一般就10几k。。。够放了。。。 5、这样就可以顺利的识别文件系统然后转入stage2的运行了。。。stage2的入口在asm.S （我最早看grub的时候就是研究这个文件。。。实模式保护模式的转换。。。GDT初始化。。。C语言运行环境初始化。。。都是由这部分代码完成的。。。也就是说这部分代码完成了从汇编语言向C语言的进化。。。XD）然后仔细看asm.s的代码会看到 [QUOTE]VARIABLE(config_file) #ifndef STAGE1_5 .string "/boot/grub/menu.lst" #else /* STAGE1_5 */ .long 0xffffffff .string "/boot/grub/stage2" #endif /* STAGE1_5 */[/QUOTE] 这下知道怎么找到menu.lst了吧。。。 6、asm.s将运行环境都初始化好了之后就进入c语言部分。。。这时转向stage2.c文件的cmain函数然后grub_open()函数（disk_io.c）去打开config_file。。。然后由print_entries等等函数吧菜单显示出来。。。不管是选了菜单选项还是输入grub命令。。。最后都交给comline.c文件里的find_command()函数去builtin.c文件里的struct builtin *builtin_table[]变量找指令。。。然后执行对应指令的xxx_func()函数（builtin.c）。。。 7、然后grub利用它自己在disk_io.c提供的一些函数去吧linux的内核加载进来。。。最后执行boot指令。。。移交控制权。。。然后拍拍屁股走人咯。。。剩下的是linuxkernel的事情了。。。 ——————————————俺是XE的分割线———————————— 上面说的是以grub0.97为例的grub1的启动流程和代码分析。。。现在grub已经开始开发2了。。。最新版本是1.95 在grub2里引入了kernel。。。而且还有module。。。还真做成miniOS了。。。囧。。。在grub2里就没有stage*了。。。 /boot/i386/pc/boot.S对应stage1.s完成stage1的功能。。。去读取0头0道2扇区的内容而在0头0道2扇区开始存放的就是grub2里的kernel。。。编译之后的core.img文件才20几k对chs模式的0头0道64扇区（32k）来说都放的下。。。而这个20多k的小东西将完成stage1.5（10几k）+stage2（100多k）的功能 /kern/i386/pc/startup.s完成gurb1里asm.s的任务。。。然后转到c语言。。。 /kern/i386/pc/init.c完成kernel的初始化然后转交给/kern/main.c调用grub_load_modules()加载模块完成剩下的任务。。。 ——————————————LOLI飞过—————————————— 恩。。。就这么多吧。。。果然我还是晚上精神好。。。-ω- 我把grub0.97和grub1.95的源代码包都传上来。。。大家有兴趣就看看。。。附件(949KB) grub-0.97.tar.gz 附件(507.1KB) grub-1.95.tar.gz 【在 piaoice 的大作中提到: 】 : 给问住了：）有些地方去查下代码，也许能给出明确的答复。 : 阶段1，不论是启动linux还是win，都会经历这一步。关于BIOS的问题不能回答你。不过BIOS程序应该是放在只读存储器中。 : 阶段2，忘了以前在哪看的文档，BIOS应该会有跳转指令，将MBR中内容载入内存后，会去执行内存中相应的程序。 : ...................