计算机/linux启动过程
开机过程指的是从打开计算机电源直到LINUX显示用户登录画面的全过程。
分析LINUX开机过程也是深入了解LINUX核心工作原理的一个很好的途径。
计算机开机过程是一个非常复杂的过程,想真正理解透彻并不容易。
计算机启动是一个很矛盾的过程:必须先运行程序,然后计算机才能启动,但是计算机不启动就无法运行程序!
早期真的是这样,必须想尽各种办法,把一小段程序装进内存,然后计算机才能正常运行。
先了解下BIOS是什么?
BIOS是英文"Basic Input Output System"的简写,中文名称是"基本输入输出系统"。其实,它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序,BIOS中包含了计算机最基本的一些信息,如CPU信息、设备启动顺序信息、硬盘信息、内存信息、时钟信息、PnP特性等
BIOS系统文件是存在ROM芯片上的。但是BIOS设置信息是存储在RAM的,断电会丢失。这个RAM一般在主板边缘有一个长约一厘米的长方形相片,可以拔差。
1、BIOS自检,按硬盘启动顺序,进入操作系统所在的硬盘
计算机通电之后,首先从主板上读取BIOS。
BIOS程序首先检查,计算机硬件能否满足运行的基本条件,这叫做"加电自检"(Power-On Self-Test),缩写为POST。
如果硬件出现问题,主板会发出不同含义的蜂鸣,启动中止。如果没有问题,屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。
自检完成后,BIOS把控制权转交给下一阶段的启动程序。
这时,BIOS需要知道,"下一阶段的启动程序"具体存放在哪里?到底是光驱,普通硬盘,固态硬盘,U盘里面的哪一种?
打开BIOS的操作界面,里面有一项就是"设定启动顺序"。
2、读取MBR(主引导记录 Master boot record),找到操作系统
找到第一个硬盘之后,计算机就开始读取该硬盘上的MBR主引导记录。他会告诉计算机应该去到硬盘上哪个位置才能找到操作系统
MBR指的是硬盘上第0磁道第一个扇区,它的大小是512字节,它由三个部分组成:
(1) 第1-446字节: 引导(PRE-BOOT)区,调用操作系统的机器码。找到标记为活动(ACTIVE)的分区,并将活动分区的引导区读入内存。
(2) 第447-510字节:分区表(Partition table)。记录硬盘的分区信息
(3) 第511-512字节:主引导记录签名(0x55和0xAA)。最后两个字节是0x55和0xAA,表明这个设备可以用于启动;如果不是,表明设备不能用于启动,控制权于是被转交给"启动顺序"中的下一个设备。
分区表:
硬盘分区有很多好处。考虑到每个区可以安装不同的操作系统,"主引导记录"因此必须知道将控制权转交给哪个区。
分区表的长度只有64个字节,里面又分成四项,每项16个字节。所以,一个硬盘最多只能分四个一级分区,又叫做"主分区"。
每个主分区的16个字节,由6个部分组成:
(1) 第1个字节:如果为0x80,就表示该主分区是激活分区,控制权要转交给这个分区。四个主分区里面只能有一个是激活的。
(2) 第2-4个字节:主分区第一个扇区的物理位置(柱面、磁头、扇区号等等)。
(3) 第5个字节:主分区类型。
(4) 第6-8个字节:主分区最后一个扇区的物理位置。
(5) 第9-12字节:该主分区第一个扇区的逻辑地址。
(6) 第13-16字节:主分区的扇区总数。
最后的四个字节("主分区的扇区总数"),决定了这个主分区的长度。也就是说,一个主分区的扇区总数最多不超过2的32次方。
如果每个扇区为512个字节,就意味着单个分区最大不超过2TB。再考虑到扇区的逻辑地址也是32位,所以单个硬盘可利用的空间最大也不超过2TB。如果想使用更大的硬盘,只有2个方法:一是提高每个扇区的字节数,二是增加扇区总数。
3、加载启动管理器bootloader,选择进入哪个操作系统
系统找到BIOS所指定的硬盘的MBR后,就会将其复制到0×7c00地址所在的物理内存中。其实被复制到物理内存的内容就是启动管理器Boot Loader,而具体到不同的操作系统,拿linux来说,常见的就是grub了。
这时,计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区了,这里分成三种情况。
情况A:卷引导记录
上一节提到,四个主分区里面,只有一个是激活的。计算机会读取激活分区的第一个扇区,叫做"卷引导记录"(Volume boot record,缩写为VBR)。
"卷引导记录"的主要作用是,告诉计算机,操作系统在这个分区里的位置。然后,计算机就会加载操作系统了。情况B:扩展分区和逻辑分区
随着硬盘越来越大,四个主分区已经不够了,需要更多的分区。但是,分区表只有四项,因此规定有且仅有一个区可以被定义成"扩展分区"(Extended partition)。
所谓"扩展分区",就是指这个区里面又分成多个区。这种分区里面的分区,就叫做"逻辑分区"(logical partition)。
计算机先读取扩展分区的第一个扇区,叫做"扩展引导记录"(Extended boot record,缩写为EBR)。它里面也包含一张64字节的分区表,但是最多只有两项(也就是两个逻辑分区)。
计算机接着读取第二个逻辑分区的第一个扇区,再从里面的分区表中找到第三个逻辑分区的位置,以此类推,直到某个逻辑分区的分区表只包含它自身为止(即只有一个分区项)。因此,扩展分区可以包含无数个逻辑分区。
但是,似乎很少通过这种方式启动操作系统。如果操作系统确实安装在扩展分区,一般采用下一种方式启动。情况C:启动管理器
在这种情况下,计算机读取"主引导记录"前面446字节的机器码之后,不再把控制权转交给某一个分区,而是运行事先安装的"启动管理器"(boot loader),由用户选择启动哪一个操作系统。
Linux环境中,目前最流行的启动管理器是Grub。
4、加载内核
进入操作系统后,首先将内核加载到内存。
以Linux系统为例,先载入/boot目录下面的kernel。
内核加载成功后,根据grub设定的内核映像所在路径,系统读取内存映像,并进行解压缩操作。此时,屏幕一般会输出“Uncompressing Linux”的提示。当解压缩内核完成后,屏幕输出“OK, booting the kernel”。
系统将解压后的内核放置在内存之中,并调用start_kernel()函数来启动一系列的初始化函数并初始化各种设备,完成Linux核心环境的建立。至此,Linux内核已经建立起来了,基于Linux的程序应该可以正常运行了。
5、用户层init选择操作系统运行等级
内核被加载后,第一个运行的程序便是/sbin/init,该文件会读取/etc/inittab文件,并依据此文件来进行初始化工作。
其实/etc/inittab文件最主要的作用就是设定Linux的运行等级,它表明Linux需要运行在等级3上。
[root@localhost] ~$ cat /etc/inittab id:3:initdefault:
6、init进程执行rc.sysinit,操作系统环境初始化
在设定了运行等级后,Linux系统执行的第一个用户层文件就是/etc/rc.d/rc.sysinit脚本程序,它做的工作非常多,包括设定PATH、设定网络配置(/etc/sysconfig/network)、启动swap分区、设定/proc等等。如果你有兴趣,可以到/etc/rc.d中查看一下rc.sysinit文件。
线程init的最终完成状态是能够使得一般的用户程序可以正常地被执行,从而真正完成可供应用程序运行的系统环境。它主要进行的操作有:
· 设置网络环境/etc/sysconfig/network,如主机名,网关,IP,DNS等。
· 挂载/proc。此文件是个特殊文件,大小为0,因为它是在内存当中。里面东东最好别删。
· 根据内核在开机时的结果/proc/sys/kernel/modprobe。开始进行周边设备的侦测。
· 载入用户自定义的模块/etc/sysconfig/modules/*。modules
· 读取/etc/sysctl。conf文件对内核进行设定。
· 设定时间,终端字体,硬盘LVM或RAID功能,以fsck进行磁盘检测。
· 将开机状况记录到/var/log/dmesg中。(可以用命令dmesg查看结果)
至此,init()函数结束,Linux内核的引导 部分也到此结束。
7、启动内核模块
具体是依据/etc/modules.conf文件或/etc/modules.d目录下的文件来装载内核模块。
8、执行不同运行级别的脚本程序
根据运行级别的不同,会有不同的服务启动。如httpd,mysql程序和一些开机执行的脚本。 在/etc/rc.d目录中,不同的level会有不同的目录。其中,S(start)开头的表明开机启动,K(kill)开头的表明开机不启动。数字表示启动顺序。数字越小,启动越早。
9、执行/etc/rc.d/rc.local,个性化设置初始化
你如果打开了此文件,里面有一句话,读过之后,你就会对此命令的作用一目了然:
# This script will be executed *after* all the other init scripts.
# You can put your own initialization stuff in here if you don’t
# want to do the full Sys V style init stuff.
rc.local就是在一切初始化工作后,Linux留给用户进行个性化的地方。你可以把你想设置和启动的东西放到这里。
10、执行/bin/login程序,进入登录状态
此时,系统已经进入到了等待用户输入username和password的时候了,你已经可以用自己的帐号登入系统了。
简化版启动过程
读取BIOS程序----->读取MBR----->加载Boot Loader------->加载内核------->启动系统服务
参考
http://blog.csdn.net/bailyzheng/article/details/7485105
http://blog.csdn.net/bailyzheng/article/details/7485105
http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html
http://blog.chinaunix.net/uid-26495963-id-3066282.html