Linux内核加载全流程

无论是Linux还是Windows，在加电后的第一步都是先运行BIOS（Basic Input/Output System）程序——不知道是不是所以的电脑系统都是如此。BIOS保存在主板上的一个non-volatile（即非易失）存储器，如PROM，EPROM，Flash等。——以前的BIOS一般都是只读的，现代的系统中，允许刷新BIOS程序。它的任务就是简单的初始化和识别系统硬件设备，如CPU，内存，输入/输出设备，外部存储设备等。然后找到bootloader的位置，并加载bootloader，将PC的控制权交给bootloader，完成后面的复杂的系统初始化任务。

但是在系统启动之前，系统如何启动BIOS呢？所以系统启动的过程，也被称为自举。虽然没有“先有鸡还是先有蛋”那么复杂，但是这里也有一个矛盾。PC是这样解决这个问题的。将CPU设计成加电以后，就从一个特殊的固定的地址开始执行指令，那么BIOS的位置就放在这里，也就是存储BIOS的ROM的起始地址就是这个固定的地址，用以保证BIOS程序可以在加电时被直接执行。

这里有两个问题：

1. BIOS的存储器地址如何决定的？

2. 现在多处理器的情况下，BIOS是如何执行的？

下面以Intel CPU为例，简单说明一下流程：

Intel在初始化的时候将CPU分为两类，即BSP（Bootstrap Processor）与APs（Application Processors）。从名字上既可看出两类CPU的作用。在启动的时候，首先由硬件动态选择一个总线上的CPU为BSP，那么剩下的CPU则都为AP。由BSP执行BIOS程序，初始化环境以及APs，然后还是有BSP执行操作系统的初始化代码。 Intel CPU的第一条语句的固定地址为0xFFFF FFF0，然后BIOS的存储器被hard-map到这个内存地址。这样当CPU开始执行时，实际上执行的就是BIOS程序。

由于BIOS的存储器不会太大，所以程序一般不会太复杂，那么不大可能实现加载操作系统的操作，只能完成简单的初始化工作。这时，只能借助于外部存储器了。可是外部存储器的读取是依赖于文件系统的。而BIOS程序既然比较简单，那么是不可能去支持文件系统的，更何况有各种各样的文件系统，不可能去一一支持。这时，还是只能依赖于硬编码，必须定义一个固定的外部存储器的地址——硬盘的第一个扇区的512字节——被称为MBR（Master Boot Record）——为什么是512字节呢？按照我的理解，一般情况下一个扇区都被设置为512字节，而硬盘操作的最小单元即为一个扇区。虽然可以设置更大的扇区，但是作为一个统一的程序来说，使用惯例512是一个不错的选择。

BIOS的最后一项任务就是将MBR读入到内存中，且起始地址固定为0x7c00，然后对MBR的最后两个字节进行验证，必须为0x55和0xAA，以保证这512字节为MBR。验证通过后，则跳转到0x7c00处开始执行。这样MBR就开始执行。——这里，我有两个问题，为什么是7c00和0x55和0xAA呢？目前没有找到当初选择这两个值的解释。我依稀记得选择0x55，0xaa是因为这个值比较特殊，利于校验，但是为什么利于校验却不记得了。

MBR保存了分区表（MBR并不存在于任何一个分区中，而是处于分区之上），以及一个用于装载操作系统启动程序的小程序。MBR首先会确定活动分区，然后使用BIOS将这个活动分区的启动扇区——仍然是第一个扇区512字节，最后跳转到加载该启动扇区的内存地址处。这样就将PC的控制器转移到这个启动扇区的程序手中（即真正的bootloader）。一般来说，这个启动程序也要求被加载到0x7c00这个地址。可是这个地址之前已经加载了MBR，如果再加载这个启动程序，那么必然冲突。所以MBR实际上在开始的时候，先对自己做了relocate，将自己拷贝到另外一个地址，然后从那个地址开始执行，这样就避免了冲突。

下面就进入了真正的bootloader了，对于Linux来说，一般就是LILO和GRUB，下面以最常用的GRUB为例。

GRUB的启动分为三个阶段stage1，stage1.5和stage2，这三个阶段也被分为三个文件（在某些情况下，可以没有stage1和stage1.5）。其中stage1可以嵌入到MBR中，即MBR的头446个字节（后面为分区表64字节，0x55和0xAA两个校验字节），也可以存储在活动分区的第一个扇区512字节， 然后由MBR来加载。所以stage1最多为512字节，如果存储在MBR中，则只能最大为446字节。stage1中保存了stage1.5的地址，并负责加载stage1.5的前512字节。之所以stage1只能加载512字节，是为了遵循MBR的规则。

进入stage1.5，由于只加载了前512字节，所以stage1.5首先要负责把剩余部分代码，由自己加载到内存中。对于stage1.5来说，它可以识别和支持文件系统。可以查看/boot/grub目录下，有多个后缀为stage1.5文件，其前缀即为支持的文件系统，也就是说要支持一个文件系统，就有一个对应的stage1.5文件。至于加载哪个文件，已经硬编码在stage1中。这个文件系统为stage2所在的文件系统。stage2文件是真正保存在文件系统中的。这样通过对应的stage1.5文件，就可以正确加载stage2文件。为什么会有stage1.5这个阶段呢？主要是当stage2不连续或者需要在stage2前，对文件系统做些特殊处理。如果没有这样的需求，完全可以避免stage1.5。

stage2文件为最主要的加载代码，这时由于已经stage1.5已经支持文件系统了，所以stage2可以比较大。stage2来实现GRUB的各种功能，这里就不列举了，感兴趣的同学可以自己查看GRUB的手册。stage2首先需要找到GRUB的配置文件，来决定如何加载操作系统。对于GRUB的配置与本文的主题联系并不紧密，我个人也对其兴趣不大。

GRUB不仅要复杂加载kernel，还要负责加载Initial Ram Disk，又被成为initrd。其目的主要是为了保证一个小体积的内核。initrd为一个简单的文件系统，它包含了一些内核必要的文件和模块。这样，首先将initrd挂载为一个根系统，然后kernel利用这个基本的系统，来检测环境，加载更多的必要的模块。在完成所有的加载后，这时kernel已经完全准备就绪。那么initrd对于kernel来说，已经不需要了。这时，kernel会将initrd从根/上卸载，并挂载上真正的根系统，并执行正常的启动程序。