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 内核工作原理一个很好的途径。
当你打开计算机电源,计算机会首先加载 BIOS 信息,BIOS 信息是如此的重要,以至于计算机必须在最开始就找到它。这是因为 BIOS 中包含了 cpu 的相关 信息、设备启动顺序信息、硬盘信息、内存信息、时钟信息、PnP 特性等等。在此之后,计算机心里就有谱了,知道应该去读取哪个硬件设备了。在 BIOS 将系统的控制权交给硬盘第一个扇区之后,就开始由 Linux 来控制系统了。
硬盘上第0磁道第一个扇区被称为 MBR,也就是 Master Boot Record,即主引导记录,它的大小是512字节,可里面却存放了预启动信息、分区表信息。可分为两部分:
预引导区的作用之一是找到标记为活动(ACTIVE)的分区,并将活动分区的引导区读入内存。剩余两个字节为结束标记。
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 Boot Loader,而具体到你的电脑,那就是 lilo 或者 grub 了。
启动加载器(Boot Loader)就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序,我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状 态,以便为最终调用操作系统内核做好一切准备。通常,Boot Loader 是严重地依赖于硬件而实现的,不同体系结构的系统存在着不同的 Boot Loader。
Linux的引导扇区内容是采用汇编语言编写的程序,其源代码在 arch/i386/boot 中(不同体系的cpu有其各自的 boot 目录),有4个程序文件:
Boot Loader 有若干种,其中 Grub、Lilo 和 spfdisk 是常见的 loader,这里以 Grub 为例来讲解吧。
系统读取内存中的 grub 配置信息(一般为 menu.lst 或 grub.lst),并依照此配置信息来启动不同的操作系统。
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(解压内核中)”的提示。当解压缩内核完成后,屏幕输出“OK, booting the kernel(正在启动内核)”。
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。
start_kenrel() 定义在 init/main.c 中,它就类似于一般可执行程序中的 main() 函数,系统在此之前所做的仅仅是一些能让内核程序最低限度执行的初始化操作, 真正的内核初始化过程是从这里才开始。函数 start_kerenl() 将会调用一系列的初始化函数,用来完成内核本身的各方面设置,目的是最终建立起基 本完整的 Linux 核心环境。
start_kernel() 中主要执行了以下操作:
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,其设定形式是“:id:5:initdefault:”,这就表明Linux需要运行在等级5上。Linux 的运行等级设定如下:
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。
系统初始化的大致内容总结如下:
硬件的初始化,图像界面启动的初始化(如果设置了默认启动基本) 主机RAID的设置初始化,device mapper 及相关的初始化 检测根文件系统,以只读方式挂载 激活 udev 和 selinux 设置内核参数 /etc/sysctl.conf 设置系统时钟 启用交换分区,设置主机名 加载键盘映射 激活 RAID 和 LVM 逻辑卷 挂载额外的文件系统 /etc/fstab 最后根据 mingetty 程序调用 login 让用户登录->用户登录(完成系统启动)在系统启动过程中主要的脚本和目录有:
boot /grub /boot/grub/grub.conf /boot/initrd+内核版本 /initrd文件中的/proc/ /sys/ /dev/ 目录的挂载 及根的切换 /etc/inittab 脚本 /etc/rc.d/rc.sysinit 脚本 等
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:
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。
启动第八步--执行不同运行级别的脚本程序
根据运行级别的不同,系统会运行 rc0.d 到 rc6.d 中的相应的脚本程序,来完成相应的初始化工作和启动相应的服务。
启动第九步--执行 /etc/rc.d/rc.local
你如果打开了此文件,里面有一句话,读过之后,你就会对此命令的作用一目了然:
# This script will be executed *after* all the other init scripts.
# You can put your own initializATIon stuff in here if you don’t
# want to do the full Sys V style init stuff.
rc.local 就是在一切初始化工作后,Linux 留给用户进行个性化的地方。你可以把你想设置和启动的东西放到这里。
此时,系统执行 /bin/login 程序,已经进入到了等待用户输入用户名和密码的时候了,你已经可以用自己的帐号登入系统了。
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