X86架构下Linux启动过程分析

Posted 2020-09-23 mfmdaoyou

1、X86架构下的从开机到Start_kernel启动的整体过程

这个过程简要概述为：

开机——>Bios——>GRUB/LILO——>Linux Kernel

其执行的流程图和重要函数例如以下图所看到的：

 

 

2、载入Linux内核（基于X86）的内存布局图

 

|          |

0A0000 +--------------------------+

|  Reserved for BIOS    | Do not use. Reserved for BIOS EBDA.

09A000 +--------------------------+

|  Command line    |

|  Stack/heap    | For use by the kernel real-mode code.

098000 +--------------------------+

|  Kernel setup    | The kernel real-mode code.

090200 +--------------------------+ <---  __start函数開始运行地址

|  Kernel boot sector    | The kernel legacy boot sector.

090000 +--------------------------+ <---  header.S

|  Protected-mode kernel | The bulk of the kernel image.

010000 +--------------------------+

|  Boot loader    | <- Boot sector entry point 0000:7C00

001000 +--------------------------+

|  Reserved for MBR/BIOS |

000800 +---------------------------+

|  Typically used by MBR |

000600 +--------------------------+ 

|  BIOS use only        |

000000 +--------------------------+

 

3、启动

2、BIOS启动引导阶段

BIOS调用Bootloader来把操作系统的内核映像载入到系统RAM中。

(1)、当PC的电源打开后，80x86架构的cpu将自己主动进入实模式，并从地址0xFFFF0（CS：0xFFFF，IP：0x0）開始自己主动运行程序代码，这个地址一般是BIOS的地址。
(2)、BIOS的首先进行POST（Power On Self Test即加电后自检），检測系统中一些关键设备是否存在和是否能正常工作，比如内存和显卡等设备。

此时显卡还没有初始化，假设发现了一些致命错误，比如没有找到内存或者内存有问题（此时仅仅会检查640K常规内存），BIOS会直接控制喇叭发声来报告错误，声音的长短和次数代表了错误的类型。
(3)、然后物理地址0处開始初始化中断向量（注意：这个BIOS的中断向量非常重要。后边的非常多和硬盘等的交互都是通过此中断向量完毕的）。
(4)、此后。BIOS将启动设备的第一个扇区(第0磁道第一个扇区被称为MBR即主引导记录，它的大小是512字节。里面存放了用汇编语言编写的预启动信息、分区表信息、魔数0x55AA)，读入内存绝对地址0x7C00处。并跳转到这个地址并运行。

事实上被拷贝到物理内存0x7C00处的内容就是Boot Loader，对于较早的内核不靠grub启动的。它就是bootsect.S程序。而对于如今PC多数使用grub引导启动的，就是lilo或者grub了。

3、Bootloader阶段

Bootloader程序是为计算机载入（load）计算机OS内核的。bootloader程序通常位于硬盘上，被BIOS调用。用于载入内核。在PC机上常见的bootloader主要有grub和lilo等。
    GRUB（GRand Unified Bootloader）是当前linux诸多发行版本号默认的引导程序。嵌入式系统上，最常见的bootloader是U-BOOT。这种bootloader一般位于MBR的最前部。

在linux系统中。bootloader也能够写入文件系统所在分区中。

比方，grub程序就很强大。

 Gurb执行后。将初始化设置内核执行所需的环境。

然后载入内核镜像。

grub磁盘引导全过程：

（1）stage1、grub读取磁盘的第一个512字节的主引导记录MBR。

（2）stage1.5、识别各种不同的文件系统格式，目的是为了grub能识别到文件系统。

（3）stage2、载入系统引导菜单(/boot/grub/menu.lst或grub.lst)。载入内核vmlinuz和RAM磁盘initrd。

 

4、Linux内核启动过程

内核映像文件vmlinuz：包括有linux内核的静态链接的可运行文件，传统上，vmlinux被称为可引导的内核镜像。

vmlinuz是vmlinux的压缩文件。

其构成包括：

1、第一个512字节的bootsect（第一个块）

2、第二个是setup代码，若干不多个512字节（一会再说它多大） 

3、保护模式下的内核代码
    bzImage文件：使用make bzImage命令编译内核源码。能够得到採用zlib算法压缩的zImage文件，即big zImage文件。

老的zImage解压缩内核到低端内存，bzImage则解压缩内核到高端内存（1M（0x100000）以上），在保护模式下运行。

 

bzImage文件由setup和vmlinux两部分组成，setup是实模式下的代码，vmlinux是保护模式下的代码。详细包括vmlinuz、bootsect.o、setup.o、解压缩程序misc.o、以及其它一些相关文件（如 piggy.o）。

initramfs(或initrd)文件：initrd是initialized ram disk的意思。主要用于载入硬件驱动模块。辅助内核的启动，挂载真正的根文件系统。