计算机/linux启动过程

Posted 2020-10-25 fanren224

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机/linux启动过程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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。