Linux系统开机引导和启动过程-img文件

Posted 2022-12-31 xieyu777

操作系统的启动分为两个阶段：

• 引导boot
• 启动startup

引导阶段开始于打开电源开关，结束于内核初始化完成和 systemd 进程成功运行。启动阶段接管了剩余工作，直到操作系统进入可操作状态。

总体来说，Linux 的开机引导和启动过程是相当容易理解，下文将分节对于不同步骤进行详细说明。

• BIOS 上电自检（POST）
• 引导装载程序 (GRUB2)
• 内核初始化
• 启动 systemd，其是所有进程之父。

注意，本文以 GRUB2 和 systemd 为载体讲述操作系统的开机引导和启动过程，是因为这二者是目前主流的 linux 发行版本所使用的引导装载程序和初始化软件。当然另外一些过去使用的相关软件仍然在一些 Linux 发行版本中使用。

引导过程

引导过程能以两种方式之一初始化。

• 其一，如果系统处于关机状态，那么打开电源按钮将开启系统引导过程
• 其二，如果操作系统已经运行在一个本地用户（该用户可以是 root 或其他非特权用户），那么用户可以借助图形界面或命令行界面通过编程方式发起一个重启操作，从而触发系统引导过程。重启包括了一个关机和重新开始的操作。

BIOS 上电自检（POST）

上电自检过程中其实 Linux 没有什么也没做，上电自检主要由硬件的部分来完成，这对于所有操作系统都一样。当电脑接通电源，电脑开始执行 Bios（基本输入输出系统Basic I/O System）的 POST（上电自检Power On Self Test）过程。

BIOS 上电自检确认硬件的基本功能正常，然后产生一个 BIOS 中断 INT 13H，该中断指向某个接入的可引导设备的引导扇区。它所找到的包含有效的引导记录的第一个引导扇区将被装载到内存中，并且控制权也将从引导扇区转移到此段代码。

引导扇区是引导加载器真正的第一阶段。大多数 Linux 发行版本使用的引导加载器有三种：GRUB、GRUB2 和 LILO。GRUB2 是最新的，也是相对于其他老的同类程序使用最广泛的。

GRUB2

GRUB2 全称是 GRand Unified BootLoader，Version 2（第二版大一统引导装载程序）。它是目前流行的大部分 Linux 发行版本的主要引导加载程序。GRUB2 是一个用于计算机寻找操作系统内核并加载其到内存的智能程序。由于 GRUB 这个单词比 GRUB2 更易于书写和阅读，在下文中，除特殊指明以外，GRUB 将代指 GRUB2。

GRUB 被设计为兼容操作系统多重引导规范，它能够用来引导不同版本的 Linux 和其他的开源操作系统；它还能链式加载专有操作系统的引导记录。

GRUB 允许用户从任何给定的 Linux 发行版本的几个不同内核中选择一个进行引导。这个特性使得操作系统，在因为关键软件不兼容或其它某些原因升级失败时，具备引导到先前版本的内核的能力。GRUB 能够通过文件 /boot/grub/grub.conf 进行配置。

GRUB1 现在已经逐步被弃用，在大多数现代发行版上它已经被 GRUB2 所替换，GRUB2 是在 GRUB1 的基础上重写完成。基于 Red Hat 的发行版大约是在 Fedora 15 和 CentOS/RHEL 7 时升级到 GRUB2 的。GRUB2 提供了与 GRUB1 同样的引导功能，但是 GRUB2 也是一个类似主框架（mainframe）系统上的基于命令行的前置操作系统（Pre-OS）环境，使得在预引导阶段配置更为方便和易操作。GRUB2 通过 /boot/grub2/grub.cfg 进行配置。

两个 GRUB 的最主要作用都是将内核加载到内存并运行。两个版本的 GRUB 的基本工作方式一致，其主要阶段也保持相同，都可分为 3 个阶段。在本文将以 GRUB2 为例进行讨论其工作过程。GRUB 或 GRUB2 的配置，以及 GRUB2 的命令使用均超过本文范围，不会在文中进行介绍。

虽然 GRUB2 并未在其三个引导阶段中正式使用这些阶段stage名词，但是为了讨论方便，我们在本文中使用它们。

阶段 1

如上文 POST（上电自检）阶段提到的，在 POST 阶段结束时，BIOS 将查找在接入的磁盘中查找引导记录，其通常位于 MBR（主引导记录Master Boot Record），它加载它找到的第一个引导记录中到内存中，并开始执行此代码。引导代码（及阶段 1 代码）必须非常小，因为它必须连同分区表放到硬盘的第一个 512 字节的扇区中。 在传统的常规 MBR 中，引导代码实际所占用的空间大小为 446 字节。这个阶段 1 的 446 字节的文件通常被叫做引导镜像（boot.img），其中不包含设备的分区信息，分区是一般单独添加到引导记录中。

由于引导记录必须非常的小，它不可能非常智能，且不能理解文件系统结构。因此阶段 1 的唯一功能就是定位并加载阶段 1.5 的代码。为了完成此任务，阶段 1.5 的代码必须位于引导记录与设备第一个分区之间的位置。在加载阶段 1.5 代码进入内存后，控制权将由阶段 1 转移到阶段 1.5。

阶段 1.5

如上所述，阶段 1.5 的代码必须位于引导记录与设备第一个分区之间的位置。该空间由于历史上的技术原因而空闲。第一个分区的开始位置在扇区 63 和 MBR（扇区 0）之间遗留下 62 个 512 字节的扇区（共 31744 字节），该区域用于存储阶段 1.5 的代码镜像 core.img 文件。该文件大小为 25389 字节，故此区域有足够大小的空间用来存储 core.img。

因为有更大的存储空间用于阶段 1.5，且该空间足够容纳一些通用的文件系统驱动程序，如标准的 EXT 和其它的 Linux 文件系统，如 FAT 和 NTFS 等。GRUB2 的 core.img 远比更老的 GRUB1 阶段 1.5 更复杂且更强大。这意味着 GRUB2 的阶段 2 能够放在标准的 EXT 文件系统内，但是不能放在逻辑卷内。故阶段 2 的文件可以存放于 /boot 文件系统中，一般在 /boot/grub2 目录下。

注意 /boot 目录必须放在一个 GRUB 所支持的文件系统（并不是所有的文件系统均可）。阶段 1.5 的功能是开始执行存放阶段 2 文件的 /boot 文件系统的驱动程序，并加载相关的驱动程序。

阶段 2

GRUB 阶段 2 所有的文件都已存放于 /boot/grub2 目录及其几个子目录之下。该阶段没有一个类似于阶段 1 与阶段 1.5 的镜像文件。相应地，该阶段主要需要从 /boot/grub2/i386-pc 目录下加载一些内核运行时模块。

GRUB 阶段 2 的主要功能是定位和加载 Linux 内核到内存中，并转移控制权到内核。内核的相关文件位于 /boot 目录下，这些内核文件可以通过其文件名进行识别，其文件名均带有前缀 vmlinuz。你可以列出 /boot 目录中的内容来查看操作系统中当前已经安装的内核。

GRUB2 跟 GRUB1 类似，支持从 Linux 内核选择之一引导启动。Red Hat 包管理器（DNF）支持保留多个内核版本，以防最新版本内核发生问题而无法启动时，可以恢复老版本的内核。默认情况下，GRUB 提供了一个已安装内核的预引导菜单，其中包括问题诊断菜单（recuse）以及恢复菜单（如果配置已经设置恢复镜像）。

阶段 2 加载选定的内核到内存中，并转移控制权到内核代码。

内核

内核文件都是以一种自解压的压缩格式存储以节省空间，它与一个初始化的内存映像和存储设备映射表都存储于 /boot 目录之下。

在选定的内核加载到内存中并开始执行后，在其进行任何工作之前，内核文件首先必须从压缩格式解压自身。一旦内核自解压完成，则加载 systemd 进程（其是老式 System V 系统的 init 程序的替代品)，并转移控制权到 systemd。

这就是引导过程的结束。此刻，Linux 内核和 systemd 处于运行状态，但是由于没有其他任何程序在执行，故其不能执行任何有关用户的功能性任务。

Linux系统的启动过程可以分为5个阶段：

• 1、内核的引导。
• 2、运行 init。
• 3、系统初始化。
• 4、建立终端 。
• 5、用户登录系统。

内核引导

当计算机打开电源后，首先是BIOS开机自检，按照BIOS中设置的启动设备（通常是硬盘）来启动。

操作系统接管硬件以后，首先读入 /boot 目录下的内核文件。

运行init

init 进程是系统所有进程的起点，你可以把它比拟成系统所有进程的老祖宗，没有这个进程，系统中任何进程都不会启动。

init 程序首先是需要读取配置文件 /etc/inittab。

系统初始化

在init的配置文件中有这么一行： si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit，它调用执行了/etc/rc.d/rc.sysinit，而rc.sysinit是一个bash shell的脚本，它主要是完成一些系统初始化的工作，rc.sysinit是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。

它主要完成的工作有：激活交换分区，检查磁盘，加载硬件模块以及其它一些需要优先执行任务。

建立终端

rc执行完毕后，返回init。这时基本系统环境已经设置好了，各种守护进程也已经启动了。

init接下来会打开6个终端，以便用户登录系统。

用户登录系统

一般来说，用户的登录方式有三种： 命令行登录 、ssh登录 、图形界面登录