MBR/BOOT和GRUB三者关系总结（系统启动过程）

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写在最前面：

BIOS让计算机知道了启动盘是哪一块

BIOS会加载启动盘的第一个扇区，启动盘的第一个扇区称之为mbr，大小为512字节，前446存放的就是grub程序的一部分

grub程序本质就是一个迷你的操作系统，它负责加载真正的操作系统，grub的内容很多，mbr所包含的446字节肯定无法完全容纳开，所以grub采用了跳蛙战术，一部分存放于mrb中（即前446字节），后续的部分放到硬盘中，这样便可以从最简单的mbr中的代码加载其后的更大的一点的代码从而可以识别“文件系统”，然后跳转到具体的“文件系统”中，执行grub命令，加载存在于具体“文件系统”中的内核和内存盘，最终启动linux操作系统

  

系统启动流程

1、uefi或BIOS初始化，开机自检
2、加载mrb到内存
3、GRUB阶段
4、加载内核和initramfs模块（避免双缓冲/缓存，是一种他提速机制）

 1．什么是 Initramfs
    在2.6版本的linux内核中，都包含一个压缩过的cpio格式的打包文件。当内核启动时，会从这个打包文件中导出文件到内核的rootfs文件系统，然后内核检查rootfs中是否包含有init文件，如果有则执行它，作为PID为1的第一个进程。这个init进程负责启动系统后续的工作，包括定位、挂载“真正的”根文件系统设备（如果有的话）。然后执行 /sbin/init程序完成系统的后续初始化工作。

 2．Linux2.6 内核对 Initramfs 的处理流程

     (1． boot loader 把内核以及 Initramfs 文件加载到内存的特定位置。
     (2． 内核判断Initramfs的文件格式，如果是cpio格式。
     (3． 将Initramfs的内容释放到rootfs中。
     (4． 执行Initramfs中的sbin/init文件，执行到这一点，内核的工作全部结束，完全交给init文件处理。

 3.  cpio格式的Initramfs制作方法
    假设当前目录位于准备好的Initramfs文件系统的根目录下
         find . | cpio -o -Hnewc | gzip -9 > ../initrd.img.gz 

     解压：
        假设当前目录就是要解压后的目录   gunzip | cpio -idmv < ../initrd.img 

 4.  挂载rootfs文件系统
        rootfs是基于内存的文件系统，所有的操作都是在内存中完成，没有实际的存储设备，不需要设备驱动程序的参与。linux系统启动阶段使用rootfs文件系统，当磁盘驱动程序与磁盘文件系统成功加载后，linux系统会将系统根目录从rootfs切换到磁盘文件系统。

        所有的2.6版本linux内核都有一个特殊的文件系统rootfs，是内核启动的初始根文件系统，initramfs的文件会复制到rootfs。如果把initramfs比作种子，那么rootfs就是它生长的土壤。大部分linux系统正常运行后都会安装另外的文件系统，然后忽略rootfs。
        rootfs是ramfs文件系统的一个特殊实例。ramfs是一种非常简单的文件系统，是基于内存的文件系统。ramfs文件系统没有容量大小的限制，它可以根据需要动态增加容量。
　　 ramfs直接利用了内核的磁盘高速缓存机制。所有的文件的读写数据都会在内存中做高速缓存（cache），当系统再次使用文件数据时，可以直接从内存中读写，以提供系统的I/O性能。高速缓存中的写入数据会在适当的时候回写到对应的文件系统设备（如磁盘等）中，这时它的状态就标识为clean，这样系统在必要时可以释放掉这些内存。ramfs没有对应文件系统设备，所以它的数据永远都不会回写回去，也就不会标识为clean，因此系统也永远不会释放 ramfs所占用的内存。
        因为ramfs直接使用了内核已有的磁盘高速缓存机制，所以它的实现代码非常小。也由于这个原因，它可能不停的动态增长直到耗尽系统的全部内存。

5、内核开始初始化，使用systemd来代替centos6以前的init程序
（1）执行initrd.target，包括挂在/etc/fstab文件中的系统，此时挂在后，就可以切换到根目录了
（2）从initramfs根文件系统切换到磁盘根目录
（3）从systemd执行默认target配置

centos7系统表面是有”运行级别“这个概念，实际上是为了兼容以前的系统，每个所谓的”运行级别“都有对应的软连接指向，默认的启动级别是/etc/systemd/system/default.target,根据他的指向可以知道系统要进入哪个模式

（4）systemd执行sysinit.target

（5）systemd执行multi-user.target下的本机以及服务器服务

（6）systemd执行multi-user.target下的/etc/rc.d/rc.local

（7）systemd执行multi-user.target下的getty.target及登录服务

（8）systemd执行graphical需要的服务

　　ps：Centos6与7的启动区别

Centos7的系统启动和服务器守护进程管理器systemd，不同于Centos5系的Sysv init以及Centos6系的Upstart（Ubuntu制作出来），systemd是有Redhat的一个员工首先提出来，它在内核启动后，服务器什么的全部被systemd接管，kernel只是用来管理硬件资源，相当于内核被架空了，因此linus很不满意Redhat的这种做法，别逼我骂你们，不过systemd确实香，后一句是我加的

 

系统启动流程Centos6与Centos7 

https://www.processon.com/view/link/5bffde0ae4b0f012f2382181

 

 

详细地聊一下：

MBR是硬盘上的一个扇区,包含三部分内容（引导程序、分区表及分隔标识，MBR总计512字节；其中引导程序最多占446个字节）；为什么需要这个MBR，主要是因为BIOS太小，功能有限。当系统加电，bios自检后，就会将MBR Load进内存。也就意味着引导程序被激活，分区表信息已经加载到内存，同时也意味着对系统的控制权从bios过渡到GRUB.GRUB是GRand Unified Bootloader的缩写，它是一个多重操作系统启动管理器。用来引导不同系统。

GRUB是一个系统引导程序，分为两个阶段，

第一阶段它保存在MBR中.用汇编语言编写，也就是MBR中的引导程序部分。①基本的硬件设备初始化（屏蔽所有的中断、关闭处理器内部指令/数据cache 等）。②为加载 Bootloader 的Stage2 准备空间。③如果是从某个固态存储媒质中，则拷贝 Bootloader 的stage2 到RAM 空间中。④设置好堆栈。⑤跳转到 stage2 的C 程序入口点。

GRUB引导程序的第二阶段，通常用C语言编写，这个阶段的任务有： ①初始化本阶段要使用到的硬件设备。②检测系统内存映射。③将kernel 映像和根文件系统映像从flash 上读到RAM 空间中。④为内核设置启动参数⑤调用内核。

它通常保存在/boot/grub/中。 当我们启动系统进入GRUB界面时，会看到有选择信息，如果我们自己编译了系统内核的话，你可以选择从某个内核启动。同时要注意的是GRUB的配置文件和内核在/boot分区。从前面分析我们可以看出，/BOOT和MBR不存在包含关系。GRUB第一阶段需要去MBR中去读引导程序，GRUB第二阶段需要到/boot分区读系统内核和配置文件。

 

BOIS >>MBR （第一个磁盘的第一个分区）>>在MBR中读取grub引导程序

 

补充：

计算机运行起来后，一切都很正常，并且很多理论你都可以在很多资料上学到，然而，一切是如何开始的呢？开始意味着诞生，生活是乏味的，然而诞生一个生命却是需要十月怀胎的，一个生命总是在充满激情与畅想的十月之后诞生的，计算机的运行也不例外，在计算机中，对于运行而言最重要的东西其实不是操作系统，也不是应用程序，而是BIOS或者类似的东西，它里面记录着一张拓扑图，这张拓扑图描述了计算机的硬件是如何连接在一起的-比如网卡芯片在第几条pci总线上，以及各个硬件是如何配置的-比如时钟的值或者启动顺序，有了这张图，以后的操作系统才可以在这张图上谱写绚美的华章。在操作系统中，经常要处理与中断相关的信息， 每个设备的中断号从哪里来？这些都需要bios对信息的提供，计算机的启动程序存放在哪里？这些信息也需要bios的提供。比方说从ide的第一个磁盘启动操作系统的话，那么系统自然会把执行权力交给ide第一块磁盘中存放的某个程序。为了不同磁盘对不同操作系统的标准化，每个启动磁盘的前512字节被称作MBR。
     mbr中存放了启动程序和该磁盘的分区表，分区表一共描述了4个分区，其中一个分区为可启动分区，mbr中的启动程序的任务就是在分区表中找到这个启动分区，然后将执行权力交给启动分区的引导程序，至于这个引导程序如何做，那就交给操作系统的设计者来完成了，可以直接启动操作系统，也可以在启动操作系统前完成一些别的工作。以上就是标准化的操作系统自举的过程，然而为何必须这么做呢？因为第一，如果不是通过用户的设置，计算机不知道系统存储在哪个外部存储设备上，因此有了bios的启动顺序；第二，即使计算机知道了从第一块磁盘启动，由于磁盘可以有很多分区，它也不知道操作系统在哪个分区，因此就有了磁盘分区表中必须有一个启动分区。
     就是因为计算机太傻，有了上述的两个“不知道”，所以如果解决了这两个不知道，那么就不用在计算机内部设计这么多复杂的所谓的“智能化”了，bios已经解决了第一个计算机不知道的问题，而lilo/grub等bootloader解决了第二个不知道的问题，因此自从有了grub之后，启动操作系统也成了可配置的了，和在bios中配置从特定设备启动计算机一样，在grub中可以配置在哪个磁盘分区启动哪个操作系统，因此grub根本不需要磁盘分区的active标志，一切全部都由用户的配置搞定，之所以拥有分区的active标志，那纯粹是为了操作系统自举时的自动判断启动分区所在时使用。自从有了grub，大家可以放弃很多概念了，比如启动分区之类的。
     说实话，grub等bootlaoder就是一个mini OS，它的作用就是启动另一个real OS，grub的实现比简单的执行mbr的代码，判断哪个分区是启动分区，然后跳转到启动分区这种“自动化的配置”要复杂，这个复杂性主要表现在这个bootloader是可以配置的。如此复杂的代码不可能仅仅占据446字节(512-分区表)的空间，于是grub采用了“跳蛙”战术，从最简单的mbr中的代码加载其后的更大的一点的代码从而可以识别“文件系统”，然后跳转到具体的“文件系统”中，执行grub命令，加载存在于具体“文件系统”中的内核和内存盘，最终启动linux操作系统(启动windows等不直接支持grub的操作，需要显式跳转到windows的启动分区来完成启动)。
     以linux为例，如果启动到了initrd，那么此时肯定已经完成了内核的加载，可以说一个系统已经完全启动完成了，余下来的只是“根”的挂载问题了，对于liveCD之类的系统，到此步就完成了，因此我们的讨论也仅到此步。那么此时的linux还会“记得”它是从那块磁盘的哪个分区加载的吗？答案是不！因为grub的kernel和initrd命令将内核和内存盘从具体的“文件系统”加载到内存，只要完成了此步，内存中就已经有了系统运行的全部信息，此时将所有的磁盘拔下，内核还是会从解压开始到达initrd的执行的，毕竟数据和代码都在内存中，此时内核仅仅是内存中的内核，它是一个全新的执行体，并不知道grub的任何信息，也不知道是谁将它引导起来的(grub和linux内核的解耦合)，内核将丢失所有grub所知道的硬件信息，当然包括磁盘信息，如想知道此时内存中的内核和initrd是从哪一块磁盘的哪一个分区被加载到内存的，不得不从sysfs的block目录中得到更详细的信息，然后遍历所有的磁盘，寻找特征从而加以判断。

     如果我事先做好了一个dom盘，cf卡或者磁盘，然后事后可能将之插入到不同的机器上，鉴于每台机器的ide口的硬连线可能顺序不同，比如在pc1上的ide口是hda，在pc2上或许就是hdb，如果我将grub的配置文件写成root=/dev/hda1那么在pc2上可能就无法启动，如何能做到自适应启动呢？在仅有一块块设备(磁盘)的情况下，我可以在initrd的/init脚本中挂载sysfs在/sys，然后再在/sys/block/下查找唯一的磁盘，然后直接挂载之，然而如果不仅仅有一块磁盘呢？那么一个可选的方法就是在启动磁盘的/下创建一个文件abc(确保唯一性)，然后分别挂载所有的/sys/block下的磁盘，查找/下是否有一个abc的文件...仅此...

出处：https://blog.csdn.net/dog250/article/details/6211710

https://blog.csdn.net/dale_chenjiawen/article/details/44282673

 

补充：http://blog.chinaunix.net/uid-26495963-id-3066282.html

启动第一步－－加载BIOS
当你打开计算机电源，计算机会首先加载BIOS信息，BIOS信息是如此的重要，以至于计算机必须在最开始就找到它。这是因为BIOS中包含了CPU的相关信息、设备启动顺序信息、硬盘信息、内存信息、时钟信息、PnP特性等等。在此之后，计算机心里就有谱了，知道应该去读取哪个硬件设备了。

启动第二步－－读取MBR
众所周知，硬盘上第0磁道第一个扇区被称为MBR，也就是Master Boot Record，即主引导记录，它的大小是512字节，别看地方不大，可里面却存放了预启动信息、分区表信息。
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Boot Loader，而具体到你的电脑，那就是lilo或者grub了。

启动第三步－－Boot Loader
Boot Loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核做好一切准备。
Boot Loader有若干种，其中Grub、Lilo和spfdisk是常见的Loader。
我们以Grub为例来讲解吧，毕竟用lilo和spfdisk的人并不多。
系统读取内存中的grub配置信息（一般为menu.lst或grub.lst），并依照此配置信息来启动不同的操作系统。

启动第四步－－加载内核
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。

启动第五步－－用户层init依据inittab文件来设定运行等级
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，其设定形式是“：id:5:initdefault:”，这就表明Linux需要运行在等级5上。Linux的运行等级设定如下：
0：关机
1：单用户模式
2：无网络支持的多用户模式
3：有网络支持的多用户模式
4：保留，未使用
5：有网络支持有X-Window支持的多用户模式
6：重新引导系统，即重启
关于/etc/inittab文件的学问，其实还有很多

启动第六步－－init进程执行rc.sysinit
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，里面的脚本够你看几天的

启动第七步－－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。

启动第八步－－执行不同运行级别的脚本程序
根据运行级别的不同，系统会运行rc0.d到rc6.d中的相应的脚本程序，来完成相应的初始化工作和启动相应的服务。

启动第九步－－执行/etc/rc.d/rc.local
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。

启动第十步－－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。:)
===
漫长的启动过程结束了，一切都清静了…
其实在这背后，还有着更加复杂的底层函数调用，等待着你去研究…本文就算抛砖引玉了:)
本文参考了如下文章，精炼荟萃而成：

http://bbs.chinaunix.net/thread-835918-1-1.html
http://hi.baidu.com/fembed/blog/item/b9f0881f51145866f624e4be.html
http://baike.baidu.com/view/9485.htm