启动过程

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启动过程概述

Linux的启动过程可以简单分为如下四步：

  • BIOS POST
  • Boot loader
  • Kernel initialization
  • Start systemd, the parent of all processes.

BIOS POST （Basic IO system Power On Self Test）

BIOS是和启动相关的一段重要的程序，为了研究BIOS的功能，我们首先对计算机体系结构进行一个概述

计算机体系结构概述

在计算机中，CPU通过总线与IO设备（硬盘、键盘、鼠标等）和内存相连。当计算机上电后，CPU执行的第一条指令在哪里呢？首先，CPU加电后会对寄存器进行初始化，然后开始执行第一条指令。第一条指令存放在ROM中，ROM是掉电非易失的，所以可以将我们的第一条代码保存在这里。

图片名称

启动时计算机的内存布局

在计算机启动时，内存布局如下所示：

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+------------------+  <- 0xFFFFFFFF (4GB)
|      32-bit      |
|  memory mapped   |
|     devices      |
|                  |
/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\

/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\
|                  |
|      Unused      |
|                  |
+------------------+  <- depends on amount of RAM
|                  |
|                  |
| Extended Memory  |
|                  |
|                  |
+------------------+  <- 0x00100000 (1MB)
|     BIOS ROM     |
+------------------+  <- 0x000F0000 (960KB)
|  16-bit devices, |
|  expansion ROMs  |
+------------------+  <- 0x000C0000 (768KB)
|   VGA Display    |
+------------------+  <- 0x000A0000 (640KB)
|                  |
|    Low Memory    |
|                  |
+------------------+  <- 0x00000000

其中，640KB到1MB这一段是系统硬件部分，BIOS写死在960KB开始的地方。CPU启动后处于实模式，第一条指令位于CS:IP=0xf000:fff0的位置，即BIOS ROM的区域。此时只有20位地址（1MB）可用。

BIOS提供的服务

  • 基本输入输出（从硬盘、键盘输入输出等）
  • 系统设置信息
  • 开机自检程序
  • 系统自启动程序

进入BIOS程序后，将BootLoader从磁盘加载至0x7c00，并跳转。载入Boot Loader后的内存如下

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+------------------+  <- 0x00100000 (1MB)
|     BIOS ROM     |
+------------------+  <- 0x000F0000 (960KB)
|  16-bit devices, |
|  expansion ROMs  |
+------------------+  <- 0x000C0000 (768KB)
|   VGA Display    |
+------------------+  <- 0x000A0000 (640KB)
|                  |
|    Boot Loader   |  <- 0x00007C00
|     BIOS DATA    |
+------------------+  <- 0x00000000

BIOS 基本IO功能

以下功能只能在实模式下使用

  • INT 10h：字符显示
  • INT 13h：磁盘扇区读写
  • INT 15h：内存大小检测
  • INT 16h：键盘输入

BIOS 过程

为什么不让BIOS直接加载？

因为各种文件系统是不同的，不可能让一个BIOS包含所有的文件系统的读取，因此只让BIOS从硬盘固定区域进行读写

UEFI

UEFI的目标是在所有平台上一致的操作系统启动服务，实际是一个接口标准。

Boot Loader

Boot Loader 负责将操作系统代码数据加载至内存，然后跳转至起始地址

Linux Boot Loader 过程

GRUB2

GRUB2全称为GRand Unified Bootloader, version 2，是现今主流Linux普遍采用的Boot Loader。其基本功能是找到linux内核，然后载入到内存中并运行。

第一阶段

在POST结束时，BIOS会寻找到第一个Boot分区，加载bootstrap code，即GRUB2 Stage 1，这段代码非常小，因为必须适配前512字节的扇区（统一规定）。因为这个代码太小了，做不到太多有意义的工作，唯一的目的是定位下一个阶段并进行跳转

第1.5阶段

GRUB2 的1.5阶段位于boot record和第一块硬盘分区之间，这一段空间因为一些原因没有被使用。这一段有62 512-byte的空间存放core.img文件，这个文件的大小是25,389 Bytes，足够放下一些文件系统的驱动，例如标准EXT、FAT及NTFS等。这意味着GRUB第二阶段可以位于标准的EXT文件系统内。第二阶段实际位于/boot下，即/boot/grub2。

第2阶段

第二阶段位于/boot/grub2和其子文件夹下，它将运行期内核模块放置在了/boot/grub2/i386-pc文件夹下。第2阶段的作用是定位并载入所选择的Linux内核，内核和相关文件在/boot文件夹下。

Kernel

所有的kernel都经过了压缩并可自解压，从而节省空间，kernel和初始的RAM镜像以及设备映射位于/boot文件夹下。当内核被载入后，它会进行自解压，并载入systemd，并将控制权移交。至此，Boot阶段结束。

启动阶段

systemd

systemd是所有进程的父进程，它将会使linux正式进入可工作状态。systemd将会完成如下工作：

  • 挂载由/etc/fstab定义的文件系统，从而可以获取/etc下的配置文件

实模式VS保护模式

实模式

地址表示

在实模式下，CPU通过直接访问实际的物理地址对内存进行访问，此时地址格式为[CS:IP]，物理地址为：

保护模式

在保护模式下，segment_part由一个16位的选择器代替，高13位为描述表的入口；而第2位表示使用GDT或LDT，最低两位表示优先级，0-3分别代表最高优先级和最低优先级

参考文献

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