引導 Linux? 系統的過(guò)程包括很多階段。不管您是引導一個(gè)標準的 x86 桌面系統，還是引導一臺嵌入式的 PowerPC? 機器，很多流程都驚人地相似。本文將探索 Linux 的引導過(guò)程，從最初的引導到啟動(dòng)第一個(gè)用戶(hù)空間應用程序。在本文介紹的過(guò)程中，您將學(xué)習到各種與引導有關(guān)的主題，例如引導加載程序、內核解壓、初始 RAM 磁盤(pán)以及 Linux 引導的其他一些元素。

早期時(shí)，啟動(dòng)一臺計算機意味著(zhù)要給計算機喂一條包含引導程序的紙帶，或者手工使用前端面板地址/數據/控制開(kāi)關(guān)來(lái)加載引導程序。盡管目前的計算機已經(jīng)裝備了很多工具來(lái)簡(jiǎn)化引導過(guò)程，但是這一切并沒(méi)有對整個(gè)過(guò)程進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。

讓我們先從高級的視角來(lái)查看 Linux 引導過(guò)程，這樣就可以看到整個(gè)過(guò)程的全貌了。然后將回顧一下在各個(gè)步驟到底發(fā)生了什么。在整個(gè)過(guò)程中，參考一下內核源代碼可以幫助我們更好地了解內核源代碼樹(shù)，并在以后對其進(jìn)行深入分析。

概述

圖 1 是我們在 20,000 英尺的高度看到的視圖。

當系統首次引導時(shí)，或系統被重置時(shí)，處理器會(huì )執行一個(gè)位于已知位置處的代碼。在個(gè)人計算機（PC）中，這個(gè)位置在基本輸入/輸出系統（BIOS）中，它保存在主板上的閃存中。嵌入式系統中的中央處理單元（CPU）會(huì )調用這個(gè)重置向量來(lái)啟動(dòng)一個(gè)位于閃存/ROM 中的已知地址處的程序。在這兩種情況下，結果都是相同的。因為 PC 提供了很多靈活性，BIOS 必須確定要使用哪個(gè)設備來(lái)引導系統。稍后我們將詳細介紹這個(gè)過(guò)程。

當找到一個(gè)引導設備之后，第一階段的引導加載程序就被裝入 RAM 并執行。這個(gè)引導加載程序在大小上小于 512 字節（一個(gè)扇區），其作用是加載第二階段的引導加載程序。

當第二階段的引導加載程序被裝入 RAM 并執行時(shí)，通常會(huì )顯示一個(gè)動(dòng)畫(huà)屏幕，并將 Linux 和一個(gè)可選的初始 RAM 磁盤(pán)（臨時(shí)根文件系統）加載到內存中。在加載映像時(shí)，第二階段的引導加載程序就會(huì )將控制權交給內核映像，然后內核就可以進(jìn)行解壓和初始化了。在這個(gè)階段中，第二階段的引導加載程序會(huì )檢測系統硬件、枚舉系統鏈接的硬件設備、掛載根設備，然后加載必要的內核模塊。完成這些操作之后啟動(dòng)第一個(gè)用戶(hù)空間程序（init），并執行高級系統初始化工作。

這就是 Linux 引導的整個(gè)過(guò)程?，F在讓我們深入挖掘一下這個(gè)過(guò)程，并深入研究一下 Linux 引導過(guò)程的一些詳細信息。

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系統啟動(dòng)

系統啟動(dòng)階段依賴(lài)于引導 Linux 系統上的硬件。在嵌入式平臺中，當系統加電或重置時(shí)，會(huì )使用一個(gè)啟動(dòng)環(huán)境。這方面的例子包括 U-Boot、RedBoot 和 Lucent 的 MicroMonitor。嵌入式平臺通常都是與引導監視器搭配銷(xiāo)售的。這些程序位于目標硬件上的閃存中的某一段特殊區域，它們提供了將 Linux 內核映像下載到閃存并繼續執行的方法。除了可以存儲并引導 Linux 映像之外，這些引導監視器還執行一定級別的系統測試和硬件初始化過(guò)程。在嵌入式平臺中，這些引導監視器通常會(huì )涉及第一階段和第二階段的引導加載程序。

提取 MBR 的信息 要查看 MBR 的內容，請使用下面的命令： # dd if=/dev/hda of=mbr.bin bs=512 count=1 # od -xa mbr.bin 這個(gè) dd 命令需要以 root 用戶(hù)的身份運行，它從 /dev/hda（第一個(gè) IDE 盤(pán)） 上讀取前 512 個(gè)字節的內容，并將其寫(xiě)入 mbr.bin 文件中。od 命令會(huì )以十六進(jìn)制和 ASCII 碼格式打印這個(gè)二進(jìn)制文件的內容。

在 PC 中，引導 Linux 是從 BIOS 中的地址 0xFFFF0 處開(kāi)始的。BIOS 的第一個(gè)步驟是加電自檢（POST）。POST 的工作是對硬件進(jìn)行檢測。BIOS 的第二個(gè)步驟是進(jìn)行本地設備的枚舉和初始化。

給定 BIOS 功能的不同用法之后，BIOS 由兩部分組成：POST 代碼和運行時(shí)服務(wù)。當 POST 完成之后，它被從內存中清理了出來(lái)，但是 BIOS 運行時(shí)服務(wù)依然保留在內存中，目標操作系統可以使用這些服務(wù)。

要引導一個(gè)操作系統，BIOS 運行時(shí)會(huì )按照 CMOS 的設置定義的順序來(lái)搜索處于活動(dòng)狀態(tài)并且可以引導的設備。引導設備可以是軟盤(pán)、CD-ROM、硬盤(pán)上的某個(gè)分區、網(wǎng)絡(luò )上的某個(gè)設備，甚至是 USB 閃存。

通常，Linux 都是從硬盤(pán)上引導的，其中主引導記錄（MBR）中包含主引導加載程序。MBR 是一個(gè) 512 字節大小的扇區，位于磁盤(pán)上的第一個(gè)扇區中（0 道 0 柱面 1 扇區）。當 MBR 被加載到 RAM 中之后，BIOS 就會(huì )將控制權交給 MBR。

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第一階段引導加載程序

MBR 中的主引導加載程序是一個(gè) 512 字節大小的映像，其中包含程序代碼和一個(gè)小分區表（參見(jiàn)圖 2）。前 446 個(gè)字節是主引導加載程序，其中包含可執行代碼和錯誤消息文本。接下來(lái)的 64 個(gè)字節是分區表，其中包含 4 個(gè)分區的記錄（每個(gè)記錄的大小是 16 個(gè)字節）。MBR 以?xún)蓚€(gè)特殊數字的字節（0xAA55）結束。這個(gè)數字會(huì )用來(lái)進(jìn)行 MBR 的有效性檢查。

主引導加載程序的工作是查找并加載次引導加載程序（第二階段）。它是通過(guò)在分區表中查找一個(gè)活動(dòng)分區來(lái)實(shí)現這種功能的。當找到一個(gè)活動(dòng)分區時(shí)，它會(huì )掃描分區表中的其他分區，以確保它們都不是活動(dòng)的。當這個(gè)過(guò)程驗證完成之后，就將活動(dòng)分區的引導記錄從這個(gè)設備中讀入 RAM 中并執行它。

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第二階段引導加載程序

次引導加載程序（第二階段引導加載程序）可以更形象地稱(chēng)為內核加載程序。這個(gè)階段的任務(wù)是加載 Linux 內核和可選的初始 RAM 磁盤(pán)。

GRUB 階段引導加載程序 /boot/grub 目錄中包含了 stage1、stage1.5 和 stage2 引導加載程序，以及很多其他加載程序（例如，CR-ROM 使用的是 iso9660_stage_1_5）。

在 x86 PC 環(huán)境中，第一階段和第二階段的引導加載程序一起稱(chēng)為 Linux Loader（LILO）或 GRand Unified Bootloader（GRUB）。由于 LILO 有一些缺點(diǎn)，而 GRUB 克服了這些缺點(diǎn)，因此下面讓我們就來(lái)看一下 GRUB。（有關(guān) GRUB、LILO 和相關(guān)主題的更多內容，請參閱本文后面的 參考資料 部分的內容。）

關(guān)于 GRUB，很好的一件事情是它包含了有關(guān) Linux 文件系統的知識。GRUB 不像 LILO 一樣使用裸扇區，而是可以從 ext2 或 ext3 文件系統中加載 Linux 內核。它是通過(guò)將兩階段的引導加載程序轉換成三階段的引導加載程序來(lái)實(shí)現這項功能的。階段 1 （MBR）引導了一個(gè)階段 1.5 的引導加載程序，它可以理解包含 Linux 內核映像的特殊文件系統。這方面的例子包括 reiserfs_stage1_5（要從 Reiser 日志文件系統上進(jìn)行加載）或 e2fs_stage1_5（要從 ext2 或 ext3 文件系統上進(jìn)行加載）。當階段 1.5 的引導加載程序被加載并運行時(shí)，階段 2 的引導加載程序就可以進(jìn)行加載了。

當階段 2 加載之后，GRUB 就可以在請求時(shí)顯示可用內核列表（在 /etc/grub.conf 中進(jìn)行定義，同時(shí)還有幾個(gè)軟符號鏈接 /etc/grub/menu.lst 和 /etc/grub.conf）。我們可以選擇內核甚至修改附加內核參數。另外，我們也可以使用一個(gè)命令行的 shell 對引導過(guò)程進(jìn)行高級手工控制。

將第二階段的引導加載程序加載到內存中之后，就可以對文件系統進(jìn)行查詢(xún)了，并將默認的內核映像和 initrd 映像加載到內存中。當這些映像文件準備好之后，階段 2 的引導加載程序就可以調用內核映像了。

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內核

GRUB 中的手工引導 在 GRUB 命令行中，我們可以使用 initrd 映像引導一個(gè)特定的內核，方法如下： grub> kernel /bzImage-2.6.14.2 [Linux-bzImage, setup=0x1400, size=0x29672e] grub> initrd /initrd-2.6.14.2.img [Linux-initrd @ 0x5f13000, 0xcc199 bytes] grub> boot Uncompressing Linux... Ok, booting the kernel. 如果您不知道要引導的內核的名稱(chēng)，只需使用斜線(xiàn)（/）然后按下 Tab 鍵即可。GRUB 會(huì )顯示內核和 initrd 映像列表。

當內核映像被加載到內存中，并且階段 2 的引導加載程序釋放控制權之后，內核階段就開(kāi)始了。內核映像并不是一個(gè)可執行的內核，而是一個(gè)壓縮過(guò)的內核映像。通常它是一個(gè) zImage（壓縮映像，小于 512KB）或一個(gè) bzImage（較大的壓縮映像，大于 512KB），它是提前使用 zlib 進(jìn)行壓縮過(guò)的。在這個(gè)內核映像前面是一個(gè)例程，它實(shí)現少量硬件設置，并對內核映像中包含的內核進(jìn)行解壓，然后將其放入高端內存中，如果有初始 RAM 磁盤(pán)映像，就會(huì )將它移動(dòng)到內存中，并標明以后使用。然后該例程會(huì )調用內核，并開(kāi)始啟動(dòng)內核引導的過(guò)程。

當 bzImage（用于 i386 映像）被調用時(shí)，我們從 ./arch/i386/boot/head.S 的 start 匯編例程開(kāi)始執行（主要流程圖請參看圖 3）。這個(gè)例程會(huì )執行一些基本的硬件設置，并調用 ./arch/i386/boot/compressed/head.S 中的 startup_32 例程。此例程會(huì )設置一個(gè)基本的環(huán)境（堆棧等），并清除 Block Started by Symbol（BSS）。然后調用一個(gè)叫做 decompress_kernel 的 C 函數（在 ./arch/i386/boot/compressed/misc.c 中）來(lái)解壓內核。當內核被解壓到內存中之后，就可以調用它了。這是另外一個(gè) startup_32 函數，但是這個(gè)函數在 ./arch/i386/kernel/head.S 中。

在這個(gè)新的 startup_32 函數（也稱(chēng)為清除程序或進(jìn)程 0）中，會(huì )對頁(yè)表進(jìn)行初始化，并啟用內存分頁(yè)功能。然后會(huì )為任何可選的浮點(diǎn)單元（FPU）檢測 CPU 的類(lèi)型，并將其存儲起來(lái)供以后使用。然后調用 start_kernel 函數（在 init/main.c 中），它會(huì )將您帶入與體系結構無(wú)關(guān)的 Linux 內核部分。實(shí)際上，這就是 Linux 內核的 main 函數。

通過(guò)調用 start_kernel，會(huì )調用一系列初始化函數來(lái)設置中斷，執行進(jìn)一步的內存配置，并加載初始 RAM 磁盤(pán)。最后，要調用 kernel_thread（在 arch/i386/kernel/process.c 中）來(lái)啟動(dòng) init 函數，這是第一個(gè)用戶(hù)空間進(jìn)程（user-space process）。最后，啟動(dòng)空任務(wù)，現在調度器就可以接管控制權了（在調用 cpu_idle 之后）。通過(guò)啟用中斷，搶占式的調度器就可以周期性地接管控制權，從而提供多任務(wù)處理能力。

在內核引導過(guò)程中，初始 RAM 磁盤(pán)（initrd）是由階段 2 引導加載程序加載到內存中的，它會(huì )被復制到 RAM 中并掛載到系統上。這個(gè) initrd 會(huì )作為 RAM 中的臨時(shí)根文件系統使用，并允許內核在沒(méi)有掛載任何物理磁盤(pán)的情況下完整地實(shí)現引導。由于與外圍設備進(jìn)行交互所需要的模塊可能是 initrd 的一部分，因此內核可以非常小，但是仍然需要支持大量可能的硬件配置。在內核引導之后，就可以正式裝備根文件系統了（通過(guò) pivot_root）：此時(shí)會(huì )將 initrd 根文件系統卸載掉，并掛載真正的根文件系統。

decompress_kernel 輸出 函數 decompress_kernel 就是顯示我們通?？吹降慕鈮合⒌牡胤剑? Uncompressing Linux... Ok, booting the kernel.

initrd 函數讓我們可以創(chuàng )建一個(gè)小型的 Linux 內核，其中包括作為可加載模塊編譯的驅動(dòng)程序。這些可加載的模塊為內核提供了訪(fǎng)問(wèn)磁盤(pán)和磁盤(pán)上的文件系統的方法，并為其他硬件提供了驅動(dòng)程序。由于根文件系統是磁盤(pán)上的一個(gè)文件系統，因此 initrd 函數會(huì )提供一種啟動(dòng)方法來(lái)獲得對磁盤(pán)的訪(fǎng)問(wèn)，并掛載真正的根文件系統。在一個(gè)沒(méi)有硬盤(pán)的嵌入式環(huán)境中，initrd 可以是最終的根文件系統，或者也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )文件系統（NFS）來(lái)掛載最終的根文件系統。

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Init

當內核被引導并進(jìn)行初始化之后，內核就可以啟動(dòng)自己的第一個(gè)用戶(hù)空間應用程序了。這是第一個(gè)調用的使用標準 C 庫編譯的程序。在此之前，還沒(méi)有執行任何標準的 C 應用程序。

在桌面 Linux 系統上，第一個(gè)啟動(dòng)的程序通常是 /sbin/init。但是這不是一定的。很少有嵌入式系統會(huì )需要使用 init 所提供的豐富初始化功能（這是通過(guò) /etc/inittab 進(jìn)行配置的）。在很多情況下，我們可以調用一個(gè)簡(jiǎn)單的 shell 腳本來(lái)啟動(dòng)必需的嵌入式應用程序。

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結束語(yǔ)

與 Linux 本身非常類(lèi)似，Linux 的引導過(guò)程也非常靈活，可以支持眾多的處理器和硬件平臺。最初，加載引導加載程序提供了一種簡(jiǎn)單的方法，不用任何花架子就可以引導 Linux。LILO 引導加載程序對引導能力進(jìn)行了擴充，但是它卻缺少文件系統的感知能力。最新一代的引導加載程序，例如 GRUB，允許 Linux 從一些文件系統（從 Minix 到 Reise）上進(jìn)行引導。

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參考資料

• 您可以參閱本文在 developerWorks 全球站點(diǎn)上的 英文原文 。
  
  
• Boot Records Revealed 是有關(guān) MBR 和各種引導加載程序很好的資源。這個(gè)資源不僅僅是有關(guān) MBR 的資料的匯編，還討論了 GRUB、LILO 和各種 Windows? 引導加載程序的問(wèn)題。
  
  
• 請查看 Disk Geometry 頁(yè)面來(lái)理解磁盤(pán)及其結構。您會(huì )發(fā)現有關(guān)磁盤(pán)的有用屬性。
  
  
• live CD 是一個(gè)可以從 CD 或 DVD 上引導的操作系統，它不需要使用硬盤(pán)。
  
  
• “引導加載程序之爭：了解 LILO 和 GRUB”（developerWorks，2005 年 8 月）詳細介紹了 LILO 和 GRUB 引導加載程序。
  
  
• 在 developerWorks 上的 LPI 考試準備 系列教程中，我們可以學(xué)習有關(guān)引導 Linux 系統的詳細介紹，以及在準備參加系統管理員認證考試時(shí)需要準備的 Linux 基礎知識。
  
  
• LILO 是 GRUB 的先驅?zhuān)俏覀兛赡馨l(fā)現它依然可以引導 Linux。
  
  
• mkintrd 命令用來(lái)創(chuàng )建初始的 RAM 磁盤(pán)映像。這個(gè)命令可以用來(lái)構建初始的根文件系統，它可以用來(lái)引導允許提前加載訪(fǎng)問(wèn)真正根文件系統所需要的塊設備的配置。
  
  
• 在 Debian Linux Kernel Project 中，我們可以找到更多有關(guān) Linux 內核、引導和嵌入式開(kāi)發(fā)的信息。
  
  
• 在 developerWorks Linux 專(zhuān)區 中可以找到為 Linux 開(kāi)發(fā)人員準備的更多資源。
  
  
• 隨時(shí)關(guān)注 developerWorks 技術(shù)事件和網(wǎng)絡(luò )廣播。

• MicroMonitor 為各種小型的目標設備提供了引導環(huán)境。我們可以使用這個(gè)監視器在嵌入式環(huán)境中引導 Linux。它已經(jīng)移植到 ARM、 XScale、MIPS、PowerPC、Coldfire 和 Hitachi 的 Super-H 上了。
  
  
• GNU GRUB 是一個(gè)具有眾多選項和靈活性的引導 shell。
  
  
• LinuxBIOS 是 BIOS 的一個(gè)替代品。LinuxBIOS 不但可以引導 Linux，而且它本身就是一個(gè)壓縮的 Linux 內核。
  
  
• OpenBIOS 是另一個(gè)可移植的 BIOS 項目，可以在很多體系結構上進(jìn)行操作，例如 x86、Alpha 和 AMD64。
  
  
• 在 kernel.org 上可以找到最新的內核樹(shù)。
  
  
• 訂購免費的 SEK for Linux，它有兩張 DVD，其中包括最新的 IBM for Linux 的試用版軟件，這些軟件包括 DB2?、Lotus?、Rational?、Tivoli? 和 WebSphere?。
  
  
• 使用 IBM 試用版軟件 改進(jìn)您的下一個(gè)開(kāi)發(fā)項目，從 developerWorks 上可以直接下載這些軟件。