典型启动顺序

  1. 计算机通电后,CPU开始从一个固定的地址加载代码并开始执行,这个地址就是BIOS的驱动程序所在的位置,于是BIOS的驱动开始执行。
  2. BIOS驱动首先进行一些自检工作,然后根据配置的启动顺序,依次尝试加载启动程序。比如配置的启动顺序是CD->网卡01->USB->硬盘。 BIOS 将先检查是否能从CD启动,如果不行,接着试着从网卡启动,再试USB盘,最后再试硬盘。
  3. CD,U盘和硬盘的启动都是一样的,对BIOS来说,它们都是块设备,BIOS通过硬件访问接口直接访问这些块设备(如通过IDE访问硬 盘),加载固定位置(第一个扇区)的内容到内存,然后跳转到那个内存的位置开始执行,这里固定位置所存放的就是Bootloader的代码,从这个时间点 开始,启动的工作就由BIOS交接到了Bootloader手中了。现在Linux下常用的Bootloader是GRUB2,当然开源的Bootloader有很多种,并且各有各的特点.
  4. 从网卡启动稍微有所不同,当然前提条件是网卡支持PXE启动。 下面是大概的步骤
    1. 从网卡中加载PXE firmware到内存并执行,里面主要包含一个很小的网络驱动和TFTP client的实现
    2. 发送UDP广播到当前局域网,向DHCP服务器要IP和NBP(Network Boot Program)的地址
    3. DHCP服务器收到广播后,会发送应答,里面包含分配给请求机器的IP以及NBP的所在位置
    4. 将分配的IP应用到网卡上,然后根据收到的NBP的地址,用TFTP协议到相应的服务器上取相应的NBP文件(取文件的过程不再是广播,而是点对点的文件传输过程,所以当前网卡必须要有IP)
    5. 开始执行取到的NBP(Linux一般使用pxelinux作为NBP)

从上面的过程可以看出,一个PXE服务器至少包含一个DHCP server和一个TFTP server。

以硬盘启动及GRUB2为例,接着介绍Linux的启动过程

  1. BIOS加载硬盘MBR中的GRUB后,启动过程就被GRUB2接管
  2. 由于MBR里面空间很小,GRUB2只能放部分代码到里面,所以它采用了好几级的结构来加载自己,详情请点这里,总之,最后GRUB2会加载/boot/grub/下的驱动到内存中。
  3. GRUB2加载内核和initrd image,并启动内核。GRUB2和内核之间的协议请参考i386/boot.txt
  4. 内核接管整个系统后,加载/sbin/init并创建第一个用户态的进程
  5. init进程开始调用一系列的脚本来创建很多子进程,这些子进程负责初始化整个系统

注意事项:

GRUB2

GRUB2需要加载/boot下的grub模块才能工作,所以格式化Linux分区一定要注意,如果不小心格式化了/boot所在的分区,会导致GRUB2用不了,从而启动不了任何系统。
GRUB2同时需要加载硬盘上的Linux内核文件,所以它也需要有文件系统的驱动,当然它只需要读取文件,所以驱动很小。GRUB2已经支持所有的常见文件系统,并且完全支持LVM和RAID。

参考:

BIOS VS UEFI

UEFI可以简单理解为新一代的BIOS,支持更多新的功能,当然它也向下兼容BIOS,现在新的主板都支持UEFI,只是我们BIOS叫习惯了,所以就算主板已经支持新的UEFI,我们还是把它当BIOS用。UEFI的优点请参考这里

BIOS和UEFI两者启动系统的方式不一样,BIOS是读取硬盘第一个扇区的MBR到内存中,然后将控制权交给MBR里的Bootloader。 而UEFI是读取efi分区,如果efi分区存在且里面有启动程序的话,将控制权交给启动程序,否则和BIOS一样,读取硬盘第一个扇区的MBR到内存 中,将控制权交给MBR里面的Bootloader。从这里可以看出:

  • UEFI是兼容BIOS的,就是说就算主板支持UEFI,只要我们不用efi分区,主板还是按照原来BIOS的方式来启动系统
  • 两者只能选其一,使用efi分区里面的启动程序,或者是MBR里面的Bootloader那什么时候应该用UEFI呢?
  • 如果这台机器原来没有任何系统,那可以完全不用关心是BIOS还是UEFI,因为就算BIOS模式,Linux也可以从GPT盘启动
  • 如果机器上已经有了一个系统,那么就必须确保新安装的Linux和原有的系统采取同样的模式。

如何判断原系统的模式:

  • Windows 8及以上版本默认采用UEFI模式, Windows 7默认用BIOS模式
  • Ubuntu

如何以UEFI模式安装: Ubuntu

参考:

MBR VS GPT

MBR格式硬盘的布局

    ------------------------------------------------------------------
    |   |         |         |        |-------------------------------|
    |MBR| 主分区1  | 主分区2 | 主分区3 | 扩展 |逻辑分区1|...|逻辑分区n   |
    |   |         |         |        |-------------------------------|
    ------------------------------------------------------------------
                                        ↓ 
    扩展分区是一个特殊的主分区,分区最前面包含所有逻辑分区的描述,包含大小,位置等
  • 由于留给MBR的空间太小,所以MBR格式的硬盘只能支持四个分区,就是我们常说的四个主分区。如果想把磁盘分成大于4个分区,就需要将其中的一个或者多个分区设置成扩展分区,然后在扩展分区里面划分逻辑分区。
  • 对Linux而言,可以安装在主分区和逻辑分区里面,所以怎么划分硬盘都没关系。但对于Windows而言,由于只支持安装在主分区里面, 所以必须至少有一个主分区,如果我们安装Linux时不小心将磁盘全部划分成逻辑分区,则以后要安装Windows就比较麻烦,需要重新划分磁盘分区格 式。
  • 同样由于留给MBR的空间太小,它所能表述的磁盘空间有限,只能支持小于2T的硬盘。

GPT主要用来替换MBR,并且配合UEFI使用。 在Windows和OS X上,只支持通过UEFI方式启动GPT硬盘,而FreeBSD,Linux依然支持BIOS模式启动GPT硬盘。

GPT的主要优点:

  • 支持几乎无限制的磁盘分区个数,再也不需要主分区、扩展分区和逻辑分区这些概念了
  • 支持超过2T的硬盘
  • 分区数据在磁盘的不同位置存有多份,且有CRC校验码,所以更安全

内核参数和initrd image

下面是一个GRUB2配置的例子

    kernel /boot/vmlinuz-2.6.9-1.667 ro root=/dev/hda5 quiet
    initrd /boot/initrd-2.6.9-1.667.img

当GRUB2加载完Linux内核(/boot/vmlinuz-2.6.9-1.667)后,将这里的“ro root=/dev/hda5 quiet”做为参数传给Linux内核,然后将控制权交给Linux内核。Linux支持的内核参数请点这里,其中一个重要的参数是”init”

  'init=...'
      指定init程序的位置,Linux内核初始化完成后,将运行该位置所指定的程序    ,
      并将该进程作为第一个用户态进程,设置其进程ID为1
      如果没有指定这个参数,或者这个参数指定的位置不存在,
      Linux内核将依次搜索/sbin/init, /etc/init, /bin/init, /bin/sh这些路径,
      如果都不存在,Linux将启动失败。
      这里指定的init程序可以是可执行文件,软链接,也可以是脚本。

initrd image是干嘛的呢?

我们都知道Linux内核模块的概念,比方说Linux支持N种不同的文件系统,Ext2/3/4,XFS, Btrfs等等,那需要把所有的这些文件系统驱动都编译进内核吗?当然不需要,因为这样做会导致内核太大,运行时占用太多的内存,取而代之,我们会把这些 驱动编译成一个一个的内核模块,在需要用到的时候再把它们加载进内核,其它时间存放在磁盘上就好了。

现在有个问题,在GRUB将控制权交给Linux内核后,内核需要启动init程序,这个init程序是放在某个磁盘分区上的,这个磁盘分区用的是 N个文件系统中的某一个,内核到哪里找这个文件系统的驱动呢?这个时候initrd image出场了,它里面包含了很多驱动模块,并且用的是内存文件系统,内存文件系统的驱动已经编译到内核中了,所以内核是可以直接访问initrd image的(老版本的initrd可能用的其它格式,但不管怎么样,肯定是被内核支持的格式)。当然initrd image里面不仅仅只包含文件系统的驱动,还有其它的很多文件,这个跟每个发行版有关,具体的内容可以参考相应的发行版。

init

内核启动的第一个用户态进程init到底是个什么东东?其实它就是一个普通的程序,内核并没有对它做什么要求,只是别退出就好,init进程如果挂 了的话,系统就崩溃了,至于init进程干些啥,启动其它的哪些进程,跟内核已经没有关系了,内核的任务就是管理硬件资源并调度这些用户态进程。我们也可 以写一个我们自己的init程序放到那里,它也会正常的被内核启动起来。

除了在init进程里指定了handler的信号外,内核会帮init进程屏蔽掉其他所有信号,包括普通进程无法捕获和屏蔽的信号SIGKILL和 SIGSTOP,这样可以防止其他进程不小心kill掉init进程导致系统挂掉。这是内核给用户态启动的第一个进程的特殊待遇。

init是用户态的第一个进程,所以非常重要,各个Linux发行版都用这个进程来创建很多子进程,然后让这些子进程来初始化用户态的环境,如mount各个分区,启动各个服务等,现在各个发行版主要采用这三种框架中的一种sysvinitupstartsystemd

简单点说,sysvinit出现最早,简单易用,但缺点是速度慢,比如有10个服务需要在开机时启动,那么sysvinit只能一个接一个的启动它 们,即使他们之间没有任何关系,也不能并行的启动。于是出现了upstart,upstart基于事件驱动,可以让没有关系的服务并行的启动,这样可以加 快开机速度。但是人们觉得还是不够快,于是出现了systemd,它可以通过一定的技术和技巧让有关系的服务也能并发的启动,当然导致的结果是 systemd比较复杂。这里只提到了启动速度,当然还有其他方面的改进,详情请参考:

余下全文(1/3)

本文最初发表在segmentfault.com,文章内容属作者个人观点,不代表本站立场。

分享这篇文章:

请关注我们:

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注