Linux系统的引导过程

6.2Linux系统的引导过程Linux系统的引导和初始化过程可以分为两个阶段，如图6.3所示图6.3Linux内核启动过程示意图第1阶段：完成硬件检测、初始化和内核的引导。第2阶段：主要是init初始化进程的执行。1．BIOS自检计算机通电后，首先由BIOS进行自检，即所谓的POST（PowerOnSelfTest），对硬件进行检测，然后BIOS必须确定要使用哪个设备来引导系统，此时会根据CMOS中设置的引导顺序，搜索处于活动状态并可引导的设备（硬盘、CDROM、USB设备或软盘），当找到一个引导设备之后，从中读出引导块或MBR（MBR，MasterBootRecord）。主引导记录MBR中包含主引导加载程序。MBR是一个512B大小的扇区，位于磁盘的第一个扇区中（0道0面1扇区）。当MBR被加载到RAM中之后，BIOS会把控制权交给MBR。注意，要看MBR的内容，可以执行如下命令：#ddif=/dev/hdaof=mbr.binbs=512count=1//从/dev/hda上读取前512B的内容，将其写入mbr.bin文件中#od-xambr.bin//以十六进制和ASCII码格式打印这个二进制文件的内容MBR中的主引导加载程序是一个512B大小的映像，其中包含程序代码和一个分区表。前446B是主引导加载程序，其中包含可执行代码和错误消息文本。接下来的64B是分区表，其中包含4个分区的记录（每个记录的大小是16个字节）。MBR以两个特殊数字的字节（0xAA55）结束。这个数字会用来进行MBR的有效性检查。2．启动GRUBGRUB是引导加载程序，会引导操作系统。当机器引导它的操作系统时，BIOS会读取引导介质上最前面的512字节（MBR，MasterBootRecord）主引导加载程序（第一阶段的引导加载程序）的主要作用是查找并加载次引导加载程序，它是通过在分区表中查找一个活动分区来实现这种功能的。当找到一个活动分区时，会扫描分区表中的其它分区，以确保它们都不是活动的。当这个过程验证完成之后，就将活动分区的引导记录（第二阶段的引导加载程序）从这个设备中读到RAM中，并执行它。第二阶段的引导加载程序（次引导加载程序）可以更形象地称为内核加载程序。主要作用是将默认的内核映像和initrd映像加载到内存中。在PC环境中，第一阶段和第二阶段的引导加载程序一起称为GRandUnifiedBootloader（GRUB）。在GRUB命令行环境中（启动电脑后，在GRUB界面中按C键进入），可以使用initrd映像引导一个特定的内核，方法如下：grubkernel(hd0,2)/Possiblefilesare:lost+foundsysprocvartmpdevetcrootselinuxusrbinboothomelibmediamntoptsbinsrvmisctftpboot.autofscknetcache_dbgrubkernel(hd0,2)/boot/vmlinuz-2.6.18-128.el5[Linux-bzImage,setup=0x1e00,size=0x1bbeb4]grubinitrd(hd0,2)/boot/initrd-2.6.18-128.el5.img[Linux-initrd@0x2fd79000,0x266c72bytes]grub当内核映像被加载到内存后，内核阶段就加开始了。3．加载内核当内核映像被加载到内存中，并且阶段2的引导加载程序释放控制权之后，内核阶段就开始了。内核映像并不是一个可执行的内核，而是一个压缩过的内核映像。通常它是一个zImage（压缩映像，小于512KB）或一个bzImage（较大的压缩映像，大于512KB）。在这个内核映像前面是一个例程，它实现少量硬件设置，并对内核映像中包含的内核进行解压，然后将其放入高端内存中，如果有初始RAM磁盘映像，就会将它移动到内存中，并标明以后使用。然后该例程会调用内核，并开始启动内核引导的过程。在内核引导过程中，初始RAM磁盘（initrd）是由次引导加载程序加载到内存中的，它会被复制到RAM中并挂载到系统上。这个initrd会作为RAM中的临时根文件系统使用，并允许内核在没有挂载任何物理磁盘的情况下完整地实现引导。由于与外围设备进行交互所需要的模块可能是initrd的一部分，因此内核可以非常小，但是仍然需要支持大量可能的硬件配置。在内核引导之后，就可以正式挂载根文件系统了，此时会将initrd根文件系统卸载掉，挂载真正的根文件系统。注意：在一个没有硬盘的嵌入式环境中，initrd可以是最终的根文件系统，或者通过网络文件系统（NFS）挂载最终的根文件系统。4．执行init进程内核被载入内存，开始运行并初始化所有的设备驱动程序和数据结构等之后，内核将生成第一个进程―init（实际上依次寻找/sbin/init、/etc/init、/bin/init或/bin/sh，将执行第一个找到的，如果这4个文件都不存在，将给出“Noinitfound.Trypassinginit=optiontokernel.错误提示，内核启动失败。详细分析见5.3节）。init进程是一个由内核启动的用户级进程，是系统上运行的所有其它进程的父进程，它会观察其子进程，并在需要的时候启动、停止、重启它们，主要用来完成系统的各项配置。该进程对于Linux系统的正常工作是非常重要的。init的主要工作是根据/etc/inittab文件来执行相应的脚本，进行系统的初始化，如设置键盘、字体、装载模块、设置网络等。所以，init进程执行的每一步都是由/etc/initab文件中的配置决定的，以下是RadHat的/etc/inittab文件的例子：#inittabThisfiledescribeshowtheINITprocessshouldsetup#thesysteminacertainrun-level.#Author:MiquelvanSmoorenburg,[e-mail]#ModifiedforRHSLinuxbyMarcEwingandDonnieBarnes#Defaultrunlevel.TherunlevelsusedbyRHSare:#0-halt(DoNOTsetinitdefaulttothis)//停机（不要把initdefault设置为0，否则开机之后就会自动关机）#1-Singleusermode//单用户模式#2-Multiuser,withoutNFS(Thesameas3,ifyoudonothavenetworking)//多用户模式，但是没有NFS#3-Fullmultiusermode//完全多用户模式#4-unused//没有使用#5-X11//X-windows模式#6-reboot(DoNOTsetinitdefaulttothis)//系统重新启动（不要把initdefault设置为6,否则开机之后就会重启）#id:5:initdefault://该命令指出缺省的运行级别为5，即开机后进入X-window模式#Systeminitialization.#系统启动之后自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本，当运行级别为5时，会以5为参数运行/etc/rc.d/rc5脚本，#init进程将等待其返回（wait）si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinitl0:0:wait:/etc/rc.d/rc0l1:1:wait:/etc/rc.d/rc1l2:2:wait:/etc/rc.d/rc2l3:3:wait:/etc/rc.d/rc3l4:4:wait:/etc/rc.d/rc4l5:5:wait:/etc/rc.d/rc5l6:6:wait:/etc/rc.d/rc6#TrapCTRL-ALT-DELETE#在启动过程中如果按Crtl-Alt-Delete，将执行/sbin/shutdown-t3-rnow命令重启系统ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown-t3-rnow#WhenourUPStellsuspowerhasfailed,assumewehaveafewminutes#ofpowerleft.Scheduleashutdownfor2minutesfromnow.#Thisdoes,ofcourse,assumeyouhavepowerdinstalledandyour#UPSconnectedandworkingcorrectly.#如果系统有UPS电源，该行命令设定系统在掉电时提示“电源关闭，系统正在关闭”，并且在2min后自动关机pf::powerfail:/sbin/shutdown-f-h+2PowerFailure;SystemShuttingDown#Ifpowerwasrestoredbeforetheshutdownkickedin,cancelit.#如果工作电源恢复，该行命令提示“电源恢复，取消关机”，并且取消关机pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown-cPowerRestored;ShutdownCancelled#Rungettysinstandardrunlevels#init进程打开6个终端（虚拟控制台），以ttyn为参数执行/sbin/mingetty程序，打开ttyn终端用于用户登录1:2345:respawn:/sbin/mingettytty12:2345:respawn:/sbin/mingettytty23:2345:respawn:/sbin/mingettytty34:2345:respawn:/sbin/mingettytty45:2345:respawn:/sbin/mingettytty56:2345:respawn:/sbin/mingettytty6######0:12345:respawn:/sbin/mingettytty0######在1－5各个级别上以tty0为参数执行/sbin/mingetty程序，打开tty0终端用于用户登录，######如果进程退出则再次运行mingetty程序#Runxdminrunlevel5#在级别5上运行xdm程序，提供xdm图形方式登录界面，并在退出时重新执行（respawn）x:5:respawn:/etc/X11/prefdm-nodaemon/etc/inittab文件是以行为单位的描述性（非执行性）文本，每个指令行都具有以下格式：Id：runlevels：action：process从代码中可以看到，etc/inittab中语句的每一行包含4个域，格式如下。（1）id：是指入口标识符，它是一个字符串，是由两个独特的字元所组成的标识符，这个标识符在此文件中是唯一的。文件中的某些记录必须使用特定的id才能使系统工作正常。对于getty或mingetty等其它login程序项，要求id与tty的编号相同，否则getty程序不能正常工作。（2）runlevels：runlevels域给出的是本行的运行级别。运行级别会指出下一个操作域中的action以及process域会在哪些runlevels中被执行。而在正常的启动程序之后，root用户可以使用telinit这个指令来改变系统的runlevels。假定在Linux系统中runlevels的预设值是5，那么只有那些每一列中runlevel域的值为5时，后面的process才会被执行。所以，如果系统的runlevels值不同的话，所执行的process也不一样，所以系统启动时的资源配置情况，在不同的runlevels下会有差异。runlevels一般使用0～6以及S或s。0为shutdown；1为重启至单用户模式；2为无NFS支持的多用户模式；3是完全多用户模式（也是最常用的级别）；4保留给用户自定义；5表示XDM图形登录方式；