Linux基礎知識之啟動流程分析

Linux系統啟動原理：

1.power on 開機。

2.開機自檢：

電腦開機後首先加載BIOS（Basic Input/Output System基本輸入輸出系統）。BIOS程式首先檢查計算機能否滿足運作的基本條件，這個叫做“硬體自檢Power On Self Test”。也就是BIOS POST開機自檢。

3.BIOS對硬體進行檢測：

主要檢查：主機闆、CPU、記憶體、磁盤、網卡、聲霸卡、顯示卡、滑鼠、鍵盤、顯示器等。

4.啟動順序：

硬體自檢完成後，BIOS把控制權轉交給下一個階段的啟動順序。BIOS需要有一個外部儲存設備的啟動排序，排在前面的裝置就是優先轉交控制權的裝置。這種啟動順序就是引導順序Boot Sequence。一般是：硬碟、網卡、CD光牒、移動硬碟等。

5.加載MBR （主引導記錄）

MBR是主引導記錄，Master Boot Record 。主引導記錄一共512位元組。位于磁盤的0柱面0磁道0号扇區（第一個扇區）。MBR 512位元組分成三部分，446個位元組Bootloader主引導記錄，64個位元組的硬碟分區表DPT（Disk Partition Table），2個位元組扇區結尾标志55aa。它的主要作用是告訴計算機去硬碟的哪個位置去找作業系統。

一般GRUB是用來加載和管理系統啟動的完整程式，它是Linux發行版中最常見的引導程式boot loader。引導程式是計算機啟動時運作的第一個軟體，grub程式安裝在boot loader裡面。GRUB是GRandUnified Bootloader大型統一引導程式。

6.啟動管理器grub

計算機讀取“主引導記錄”的前面446位元組，不再把控制權交給哪一個分區，而是運作事先安裝的啟動管理器boot loader，由使用者選擇啟動哪一個作業系統。Linux中最流行的啟動管理器是GRUB。在centos7中啟動管理器是GRUB2。

grub的作用是在系統中選擇性地引導不同的OS，實際上是加載引導不同的核心鏡像檔案，當核心挂載成功之後，就把控制權交給核心程式。

7.centos7中的啟動管理器grub2

MBR主引導記錄加載并執行grub2引導加載程式。grub2配置檔案位于/boot/grub2/grub.cfg中，由grub2 mkconfig使用/etc/grub.d中的模闆和/etc/default/grub中的設定自動生成。

grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg

grub2配置檔案在/boot/grub2/grub2.cfg中，/etc/grub2.cfg是它的軟連結。

在grub2.cfg檔案中設定作業系統的啟動centos7系統，比如：

menuentry 'xxx Linux' {

set root='hd0,gpt1'

linuxefi /boot/vmlinux-4.14.105-19-1002 root=/dev/sda1

initrdefi /boot/initramfs-4.14.105-19-1002.img

}

如果是centos6的系統，一般是：

title CentOS (2.6.32-754.35.1.el6.x86_64)

root (hd0,0)

kernel /boot/vmlinuz-2.6.32-754.35.1.el6.x86_64 ro root=UUID=94e4e38

4-0ace-437f-bc96-057dd64f42ee rd_NO_LUKS rd_NO_LVM LANG=en_US.UTF-8 rd_NO_MD

SYSFONT=latarcyrheb-sun16 crashkernel=auto KEYBOARDTYPE=pc KEYTABLE=us rd_

NO_DM rhgb quiet console=tty0 console=ttyS0,115200n8 net.ifnames=0

initrd /boot/initramfs-2.6.32-754.35.1.el6.x86_64.img

grub引導菜單決定啟動哪個作業系統。

8.加載核心

加載核心kernel：根據grub設定的核心鏡像所在的路徑，系統讀取核心鏡像，并且進行解壓操作。系統将解壓後的核心放置在記憶體中，并使用start_kernel()函數來啟動一系列的初始化函數并且初始化各種裝置，完成Linux 核心環境的建立。

Linux的系統核心放在了/boot的啟動目錄中。

①：config-$(uname -r)檔案，是核心的配置檔案，是核心編譯時選擇的功能和子產品。

②：efi目錄：是可擴充固件接口，是英特爾為全新PC固件的體系結構、接口和服務提出的建議标準。

③：grub目錄：啟動引導程式grub的資料目錄，裡面放了一個splash.xpm.gz，是背景圖的圖檔。

④：initramfs-$(uname -r).img 是一個虛拟的檔案系統，在centos7.x中使用initramfs替換掉了centos6.x中的initrd，但是功能是一樣的。

⑤：symvers-$(uname -r).gz 是子產品的符号資訊。

⑥：System.map-$(uname -r) 是核心功能和核心位址的對應清單，映射清單。

⑦：vmlinuz-$(uname -r) 用于啟動Linux的核心，這個檔案是一個壓縮的核心鏡像檔案。

⑧：vmlinux-$(uname -r) 是Linux的核心檔案。

Vmlinux與linuz是有差別的。VM代表Virtual Memory虛拟核心。vmlinux是一個包括linux kernel的靜态連結的可運作檔案，編譯核心源碼得到的最原始的核心檔案，未壓縮，比較大，是elf格式的檔案。

vmlinux是elf格式的檔案，可以通過readelf -h檢視程式頭表（program headers），是5個。還可以通過readelf -S 檢視vmlinux的節頭表（section headers）。

vmlinuz是可引導的，經過壓縮的Linux核心。vmlinuz是vmlinux經過gzip和objcopy制作出來的壓縮檔案。vmlinuz是一個統稱，它有兩種詳細的表現形式：zImage和bzImage。

bzImage是vmlinux經過gzip壓縮後的檔案，适用于大核心（bzImage是x86 linux常用的一種壓縮鏡像檔案 ）。

zImage是vmlinux經過gzip壓縮後的檔案，适用于小核心（ zImage是ARM32 linux常用的一種壓縮鏡像檔案）。

bz表示big zImage,它的格式與zImage類似，但采用了不同的壓縮算法，bzImage的壓縮率更高。

執行指令:file vmlinuz-$(uname -r)可以看到檔案類型是Linux kernel x86 boot executable bzImage。

Linux安裝在ide硬碟中，并且采用的是預設的ext3/ext4檔案系統的，核心啟動後加載根分區和子產品的加載都沒問題，Linux系統會順利啟動。如果Linux系統安裝在scsi硬碟上，或者使用LVM檔案系統，核心在加載根目錄之前要加載scsi硬碟或者lvm檔案系統的驅動。SCSI磁盤和LVM檔案系統的驅動都放在硬碟的/lib/modules/目錄中，核心沒有辦法識别scsi硬碟或者lvm檔案系統，Linux使用initramfs這個虛拟的檔案系統去處理問題。centos7.x中使用initramfs虛拟檔案系統，通過引導程式加載到記憶體中，然後會解壓并且在記憶體中仿真成一個根目錄，并且這個仿真的檔案系統能夠提供一個可執行程式，通過程式去加載啟動過程中所需要的子產品，比如SATA、SCSI磁盤驅動和LVM、RAID檔案系統的驅動。

通過 initramfs 虛拟檔案系統在記憶體中模拟出一個根目錄，然後在這個模拟根目錄中加載 SCSI 等硬體的驅動，就可以加載真正的根目錄了，之後才能調用 Linux 的第一個程序 /sbin/init或者是systemd程序，centos7中是systemd。

當所需要的驅動程式加載完成之後，會根據/boot/grub2/grub2.cfg配置檔案中的root=(hd0,gpt1)的部分所指定的内容建立一個根裝置，然後将根檔案系統以隻讀的方式挂載，并切換到真正的根檔案系統上，同時調用系統程序的/sbin/init程式或者是/usr/lib/systemd/systemd程式，進入系統初始化的階段。

在初始化的最後，核心運作initramfs中的init程式，該程式将探測硬體裝置、加載驅動，挂載真正的檔案系統，執行檔案系統上的/sbin/init或者systemd，進而切換到真正的使用者空間。真正的檔案系統挂載後，initramfs即完成了使命，其占用的記憶體也會被釋放。

initramfs是可以解壓的，使用skipcpio指令：

/usr/lib/dracut/skipcpio initramfs-$(uname -r).img | zcat| cpio -ivd

解壓之後可以看到init程序做了軟連結，軟連結到了/usr/lib/systemd/systemd。

牡丹

鼓勵的話語：順境不飄，逆境不憂，絕境不慌。胸懷大志，當忍則忍。