Linux啟動過程全接觸（1）
2024-07-21 02:37:14
供稿：網友
關于Windows啟動過程介紹的文章可謂多如牛毛，而對于linux的介紹卻是鳳毛麟角。凡是曾經使用過Linux的用戶可能都會注重到，當計算機啟動時，屏幕上會出現很多信息。一般情況下，這些信息我們可以通過以下的命令看到：
cat /var/log/dmesg more
這些信息究竟有什么含義？這個問題看起來似乎很輕易回答，因為只要在Linux參考書里查找一下，就會找出一個類似于這樣的答案：“這是一些內核啟動信息……”。但是“內核啟動信息”到底是什么意思呢？
要想對Linux內部工作有所了解，就必須要對Linux內核的體系結構有一個全面的了解。下面我們就去揭開它的秘密。在此，我不想解釋Linux內核的體系結構，只想解釋（或者說是試圖去解釋）計算機系統啟動進程中一些最基本的概念。這里所說的啟動過程是指從按下開關到提示符出現的整個過程。
啟動指的是什么
在操作系統的詞匯里，啟動是指通過處理器執行一些指令，把操作系統的一部分放入到主存中。在啟動過程中，Linux內部的數據結構會被初始化，會被賦給一些初始值，并且某些進程會被創建。因為當計算機電源打開時，所有的硬件設備都處于一種不可預知的狀態，內存也處于一種不活動的隨機狀態，所以，計算機的啟動過程可以說是一個長且復雜的任務。因此，我們必須知道，之所以叫“啟動”主要是因為計算機體系結構的原因。
在此提請讀者注重：
1.對計算機內部的工作和內核的操作有一個基本的了解，對自己非常有益。
2.這篇文章中提到的所有文件，指的都是Linux內核2.4.2-2版本里的文件。這些文件對于所有的Linux內核來說都是相同的，并且可以在任何一個Linux系統里找到它們，此處我使用的是Red Hat 7.1。
3.在本文里，討論范圍限于IBM PC體系結構。
BIOS及其功能
當計算機打開電源時，內存里包含的是一些隨機的數據，所有的東西都沒有被初始化，操作系統也沒有被加載。開始整個啟動過程的是一個非凡的硬件電路，它觸發CPU的Reset腳的邏輯值。然后，一些CPU的寄存器比如CS（一個分段寄存器：代碼段寄存器，它指向含有程序指令的段），eip（在執行指令過程中，當CPU檢測到一個意外事故發生時，它會做出三種類型的判定：錯誤、陷阱、中止，這取決于eip寄存器的值，它存儲在內核模塊棧里）就會被給定一個值。接著，物理地址為0xfffffff0的代碼將被執行。這個地址被存儲在一個只讀存儲器（ROM）里。BIOS（基本輸入/輸出系統）實際上是一段存儲在ROM里的程序。它包含了一系列可以被某些操作系統調用，用于處理計算機各種硬件設備的中斷驅動和低級程序。其中微軟的DOS就是這樣的一種操作系統。
Linux是否使用附于計算機系統的BIOS來初始化硬件設備？或者說，是否有其它的東西來完成同樣的任務？不過這個問題沒有那么簡單，必須要了解一些知識。我們從80386模式開始。Intel微處理器實現地址翻譯（從邏輯地址->線性地址->物理地址）有兩種不同的途徑，分別稱作實模式和保護模式。實模式存在主要是為了使得處理器可以和較老的處理相兼容。事實上，所有的BIOS程序都是在實模式下運行的。但是，Linux內核是在保護模式下運行，而不是在實模式下。因此，一旦初始化完成后，Linux就不再使用BIOS，而是完全由自己來為計算機上的所有硬件提供驅動程序（這點和DOS是不一樣的）。
那么什么時候Linux使用保護模式？為什么BIOS不能使用相同的模式？BIOS使用實模式是因為其在操作過程中使用的是實模式地址，并且在計算機剛打開電源時，只有實模式地址可用。一個實模式地址由段地址和偏移地址組成，因此，相應的物理地址就為段地址×（2×8）+偏移。
那么，這是不是意味著在整個啟動過程中，Linux就從來不使用BIOS了呢？答案是否定的。在啟動階段，Linux從硬盤或者其它外部設備加載內核時，需要使用BIOS。
讓我們來看一下啟動時BIOS主要做了哪些操作：
1.BIOS要對硬件進行一系列徹底的檢測。這個步驟主要是檢查系統安裝有哪些設備,以及它們工作是否正常。通常把這個步驟叫做自檢（Power-On Self-Test,POST），這時會顯示版本及其它很多相關的硬件信息。
2.BIOS要對硬件進行初始化。這一步非常重要，因為它要保證所有的硬件設備在IRQ（中斷請求）和I/O端口操作時都沒有沖突。等這步完成以后，它會顯示一個已經安裝的PCI設備表。
3.接著到了操作系統，BIOS將查找一個可以引導的操作系統。這取決于BIOS的設置，它可以從軟盤、硬盤或者光盤啟動。
4.一旦發現一個合法的設備，BIOS就會把其第一扇區的內容復制到物理地址，即從0x00007c00開始的內存中，然后跳至剛加載的地址并執行之。
到此為止，BIOS所要做的工作就全部完成了。
自舉程序及其功用
BIOS調用一個專門的程序，這個程序的任務就是把操作系統的內核調入內存。這個程序就叫做自舉程序（Boot Loader）。在我們繼續下面內容之前，先來看一下啟動系統的不同途徑。
1.從軟盤啟動Linux
從軟盤啟動時，存儲在軟盤第一扇區的指令將被加載并執行。這個指令然后就會把其余的內核復制到內存中。
Linux內核可以裝在1.44MB的軟盤里，不過為了減少磁盤占用量，它們都進行了壓縮。這個壓縮過程是在編譯時完成的，而解壓縮的過程則由自舉程序完成。
從軟盤啟動Linux時，自舉程序要做的工作非常簡單。它是一個位于/usr/src/linux-2.4.2/arch/i386/boot/bootsect.S的匯編語言文件。當我們編譯Linux內核源代碼，或者獲取一個新的內核時，這個可執行的匯編代碼就會被放在內核程序的前端。由此可見，要制作一個可啟動的Linux軟盤其實很簡單。我們只要從磁盤的第一個扇區拷貝Linux內核，就可以創建一個可啟動軟盤。當BIOS加載軟盤的第一個扇區時，它實際上拷貝的是自舉程序。自舉程序由BIOS調用（跳到物理地址為0x00007c00的位置），然后執行以下的操作：
(1)把自已從地址0x00007c00移動到0x00090000；
(2)使用地址0x00003ff4，創建“實模式”棧；
(3)設置磁盤參數表，這里使用的是BIOS提供的軟盤驅動程序；
(4)通過調用BIOS程序顯示“Loading”信息；
(5)自舉程序調用BIOS程序來加載軟盤上內核的setup()函數，并把它放在起始地址為0x00090200的內存中；
(6)接下來自舉程序調用一個BIOS程序，這個程序從軟盤加載剩余的內核程序，并將其放入起始地址為0x00010000（所謂的低地址）或者0x00100000（所謂的高地址）；
(7)然后，跳轉到setup()函數。
2.從硬盤啟動Linux
當系統從硬盤啟動時，啟動過程又有所不同。硬盤的第一個扇區叫做MBR（Master Boot Record），其上存儲著分區表和一個小程序。這個程序加載存儲由操作系統的第一扇區來開始啟動。Linux是一個高度靈活且非常優秀的軟件，所以在MBR里，它使用一個叫做LILO的程序來代替上述的那個程序。LILO答應用戶選擇所要啟動的操作系統。
一般來說，Linux是從硬盤啟動的。這就需要不同的自舉程序。在Intel系統里，用得最多的自舉程序就是LILO。對于其它的體系結構，還存在著別的自舉程序。LILO可以安裝在MBR上（請注重：在安裝Red Hat Linux時，有一個步驟會讓用戶選擇把LILO安裝到MBR或者引導扇區）或一個活動分區的引導扇區上。
由于LILO太大，MBR無法容納，所以它被分成兩部分。MBR（或者磁盤分區的引導扇區）包含有一個小的自舉程序，它被BIOS載入到起始地址為0x00007c00的內存中。然后，這個小程序再把自己移到0x0009a000地址處，接著設置實模式棧，最后加載第二部分的LILO自舉程序（請注重：實模式棧地址范圍是0x0009b000 到 0x0009a200）。
第二部分的LILO會從磁盤讀取所有可用的操作系統，并且給用戶列出，以選擇所要啟動的系統。一旦用戶選擇完成，自舉程序就會加載相應的扇區內容到內存中并且執行之。
自舉程序被BIOS調用時（跳到物理地址為0x00007c00處），要執行以下操作：
(1)把自已從地址0x00007c00移動到0x00090000；
(2)使用地址0x00003ff4，創建“實模式”棧；
(3)設置磁盤參數表。這里使用的是BIOS提供的軟盤驅動程序；
(4)通過調用BIOS程序顯示“Loading Linux”信息；
(5)自舉程序調用BIOS程序來加載軟盤上內核的setup()函數，并把它放在起始地址為0x00090200的內存中；
(6)接下來自舉程序調用一個BIOS程序，這個程序從軟盤加載剩余的內核程序，并將其放入起始地址為0x00010000或者0x00100000；
(7)然后，跳轉到setup()函數。
