Linux系統(tǒng)啟動的基本過程和步驟

1、Linux系統(tǒng)啟動的基本過程和步驟：最近在某個版塊看到有人討論GRUB的問題，這里是我個人的一些理解。我想大部分還是正確的，但肯定也有理解錯誤的地方，在這里拋磚引玉了！Linux系統(tǒng)啟動過程大致按照如下步驟進行（這是一個簡述）：第一階段：BIOS啟動引導階段； 在該過程中實現硬件的初始化以及查找啟動介質； 從MBR中裝載啟動引導管理器（GRUB）并運行該啟動引導管理第二階段：GRUB啟動引導階段； 裝載stage1 裝載stage1.5 裝載stage2 讀取/boot/grub.conf文件并顯示啟動菜單； 裝載所選的kernel和initrd文件到內存中第三階段：內核階段： 運行內核啟動參

2、數； 解壓initrd文件并掛載initd文件系統(tǒng)，裝載必須的驅動； 掛載根文件系統(tǒng)第四階段：Sys V init初始化階段： 啟動/sbin/init程序； 運行rc.sysinit腳本，設置系統(tǒng)環(huán)境，啟動swap分區(qū)，檢查和掛載文件系統(tǒng)； 讀取/etc/inittab文件，運行在/et/rc.d/rc.d中定義的不同運行級別的服務初始化腳本； 打開字符終端1-6號控制臺/打開圖形顯示管理的7號控制臺同時在上述過程中各階段所需要讀取的文件和操作的對象：BIOS啟動引導階段 GRUB啟動引導階段 內核階段 /init/sysinit階段=None /boot/grub/grub.conf /b

3、oot/vmlinuz- /etc/rc.d/rc.sysinit /boot/grub/stage1_5 /boot/initrd- /etc/inittab /boot/grub/stage2 /etc/rc.d/rc.d /etc/rc.d/init.d/* （下面是詳細的過程） 第一階段：系統(tǒng)上電開機后，主板BIOS（Basic Input / Output System）運行POST（Power on self test）代碼，檢測系統(tǒng)外圍關鍵設備（如：CPU、內存、顯卡、I/O、鍵盤鼠標等）。硬件配置信息及一些用戶配置參數存儲在主板的CMOS( Complementary Meta

4、l Oxide Semiconductor)上（一般64字節(jié)），實際上就是主板上一塊可讀寫的RAM芯片，由主板上的電池供電，系統(tǒng)掉電后，信息不會丟失。執(zhí)行POST代碼對系統(tǒng)外圍關鍵設備檢測通過后，系統(tǒng)啟動自舉程序， 根據我們在BIOS中設置的啟動順序搜索啟動驅動器（比如的硬盤、光驅、網絡服務器等）。選擇合適的啟動器，比如通常情況下的硬盤設備，BIOS會讀取硬盤設備的第一個扇區(qū)（MBR，512字節(jié)），并執(zhí)行其中的代碼。實際上這里BIOS并不關心啟動設備第一個扇區(qū)中是什么內容，它只是負責讀取該扇區(qū)內容、并執(zhí)行，BIOS的任務就完成了。此后將系統(tǒng)啟動的控制權移交到MBR部分的代碼。注： 在我們的現行

5、系統(tǒng)中，大多關鍵設備都是連在主板上的。因此主板BIOS提供了一個操作系統(tǒng)（軟件）和系統(tǒng)外圍關鍵設備（硬件）最底級別的接口，在這個階段，檢測系統(tǒng)外圍關鍵設備是否“準備好”，以供操作系統(tǒng)使用。第二階段：BIOS通過下面兩種方法之一來傳遞引導記錄：第一， 將控制權傳遞給initial program loader（IPL），該程序安裝在磁盤主引導記錄（MBR）中第二， 將控制權傳遞給initial program loader（IPL），該程序安裝在磁盤分區(qū)的啟動引導扇區(qū)中無論上面的哪種情況中，IPL都是MBR的一部分并應該存儲于一個不大于446字節(jié)的磁盤空間中，因為MBR是一個不大于512字節(jié)的空

6、間。因此IPL僅僅是GRUB的第一個部分（stage1），他的作用就是定位和裝載GRUB的第二個部分（stage2）；stage2對啟動系統(tǒng)起關鍵作用，該部分提供了GRUB啟動菜單和交互式的GRUB的shell。啟動菜單在啟動時候通過/boot/grub/grub.conf文件所定義的內容生成。在啟動菜單中選擇了kernel之后，GRUB會負責解壓和裝載kernel image并且將initrd裝載到內存中。最后GRUB初始化kernel啟動代碼。完成之后后續(xù)的引導權被移交給kernel。假設Boot Loader為grub (grub-0.97)，其引導系統(tǒng)的過程如下：grub分為stage

7、1 (stage1_5) 和stage2兩個階段。stage1可以看成是initial program loaderI（IPL），而stage2則實現了grub的主要功能，包括對特定文件系統(tǒng)的支持（如ext2，ext3，reiserfs等），grub自己的shell，以及內部程序（如：kernrl，initrd，root）等。stage 1：MBR（512 字節(jié)，0頭0道1扇區(qū)），前446字節(jié)存放的是 stage1，后面存放硬盤分區(qū)表信息，BIOS將stag1載入內存中0x7c00處并跳轉執(zhí)行。stage1（/stage1/start.S）的任務非常單純，僅僅是將硬盤0頭0道2扇區(qū)讀入內存。0

8、頭0道2扇區(qū)內容是源代碼中的/stage2/start.S，編譯后512字節(jié)，它是stage2或者stage1_5的入口。注：此時stage1是沒有能力識別文件系統(tǒng)的，其定位硬盤0頭0道2扇區(qū)過程如下：BIOS將stage1載入內存0x7c00處并執(zhí)行，然后調用BIOS INIT13中斷，將硬盤0頭0道2扇區(qū)內容載入內存0x7000處，然后調用copy_buffer將其轉移到內存0x8000處。定位0頭0道2扇區(qū)有兩種尋址方式：LBA、CHS。start.S的主要功能是將stage2或stage1_5從硬盤載入內存，如果是stage2，則載入0x820處；如果是 stage1_5，則載入0x2

9、200處。注：這里的stage2或者stage1_5不是/boot分區(qū)/boot/grub目錄下的文件，這個時候grub還沒有能力識別任何文件系統(tǒng)。分以下兩種情況：（1）假如start.S讀取的是stage1_5，它存放在硬盤0頭0道3扇區(qū)向后的位置，stage1_5作為stage1和stage2中間的橋梁，stage1_5有識別文件系統(tǒng)的能力，此后grub才有能力去訪問/boot分區(qū)/boot/grub目錄下的 stage2文件，將stage2載入內存并執(zhí)行。（2）假如start.S讀取的是stage2，同樣，這個stage2也不是/boot分區(qū)/boot/grub目錄下的stage2，這個

10、時候start.S讀取的是存放在/boot分區(qū)Boot Sector的stage2。這種情況下就有一個限制：因為start.S通過BIOS中斷方式直接對硬盤尋址（而非通過訪問具體的文件系統(tǒng)），其尋址范圍有限，限制在8GB以內。因此這種情況需要將/boot分區(qū)分在硬盤8GB尋址空間之前。假如是情形（2），我們將/boot/grub目錄下的內容清空，依然能成功啟動grub；假如是情形（1），將/boot/grub目錄下stage2刪除后，則系統(tǒng)啟動過程中grub會啟動失敗。這個地方經常要進行的操作：是關于grub常用的幾個指令對應的函數：grubroot (hd0,0) root指令為grub指定

11、了一個根分區(qū) -grubkernel /xen.gz-2.6.18-37.el5 kernel指令將操作系統(tǒng)內核載入內存 -grubmodule /vmlinuz-2.6.18-37.el5xen ro root=/dev/sda2 module指令 -加載指定的模塊grubmodule /initrd-2.6.18-37.el5xen.img 指定initrd文件 -grubboot boot - 指令調用相應的啟動函數啟動OS內核第三階段：如階段2所述，grubboot指令后，系統(tǒng)啟動的控制權移交給kernel。Kernel會立即初始化系統(tǒng)中各設備并做相關配置工作，其中包括CPU、I/O、

12、存儲設備等。關于設備驅動加載，有兩部分：一部分設備驅動編入Linux Kernel中，Kernel會調用這部分驅動初始化相關設備，同時將日志輸出到kernel message buffer，系統(tǒng)啟動后dmesg可以查看到這部分輸出信息。另外有一部分設備驅動并沒有編入Kernel，而是作為模塊形式放在initrd（ramdisk）中。在2.6內核中，支持兩種格式的initrd，一種是2.4內核的文件系統(tǒng)鏡像image-initrd，一種是cpio格式。以 cpio 格式為例，內核判斷initrd為cpio的文件格式后，會將initrd中的內容釋放到rootfs中。 initrd是一種基于內存的文

13、件系統(tǒng)，啟動過程中，系統(tǒng)在訪問真正的根文件系統(tǒng)/時，會先訪問initrd文件系統(tǒng)。將initrd中的內容打開來看，會發(fā)現有bin、devetc、lib、procsys、sysroot、init等文件（包含目錄）。其中包含了一些設備的驅動模塊，比如scsi ata等設備驅動模塊，同時還有幾個基本的可執(zhí)行程序 insmod, modprobe, lvm，nash。主要目的是加載一些存儲介質的驅動模塊，如上面所說的scsi ideusb等設備驅動模塊，初始化LVM，把/根文件系統(tǒng)以只讀方式掛載。initrd中的內容釋放到rootfs中后，Kernel會執(zhí)行其中的init文件，這里的init是一個腳本

14、，由nash解釋器執(zhí)行。這個時候內核的控制權移交給init文件處理，我們查看init文件的內容，主要也是加載各種存儲介質相關的設備驅動。 驅動加載后，會創(chuàng)建一個根設備，然后將根文件系統(tǒng)/以只讀的方式掛載。這步結束后釋放未使用內存并執(zhí)行switchroot，轉換到真正的根/上面去，同時運行/sbin/init程序，開啟系統(tǒng)的1號進程，此后系統(tǒng)啟動的控制權移交給 init 進程。關于switchroot是在nash中定義的程序。Linux Kernel需要適應多種不同的硬件架構，但是將所有的硬件驅動編入Kernel又是不實際的，而且Kernel也不可能每新出一種硬件結構，就將該硬件的設備驅動寫入內

15、核。實際上Linux Kernel僅是包含了基本的硬件驅動，在系統(tǒng)安裝過程中會檢測系統(tǒng)硬件信息，根據安裝信息和系統(tǒng)硬件信息將一部分設備驅動寫入 initrd 。這樣在以后啟動系統(tǒng)時，一部分設備驅動就放在initrd中來加載。第四階段：init進程起來后，系統(tǒng)啟動的控制權移交給init進程。/sbin/init進程是所有進程的父進程，當init起來之后，它首先會讀取配置文件/etc/inittab，進行以下工作：1）執(zhí)行系統(tǒng)初始化腳本(/etc/rc.d/rc.sysinit)，對系統(tǒng)進行基本的配置，以讀寫方式掛載根文件系統(tǒng)及其它文件系統(tǒng)，到此系統(tǒng)基本算運行起來了，后面需要進行運行級別的確定及相

16、應服務的啟動；2）確定啟動后進入的運行級別；3) 執(zhí)行/etc/rc.d/rc，該文件定義了服務啟動的順序是先K后S，而具體的每個運行級別的服務狀態(tài)是放在/etc/rc.d/rcn.d（n=06）目錄下，所有的文件均鏈接至/etc/init.d下的相應文件。4）有關key sequence的設置5) 有關UPS的腳本定義6）啟動虛擬終端/sbin/mingetty 7）在運行級別5上運行X這時呈現給用戶的就是最終的登錄界面。至此，系統(tǒng)啟動過程完畢：）說明：1）/etc/rc.d/rc.sysint - System Initialization Tasks 它的主要工作有：配置selinux，

17、系統(tǒng)時鐘，內核參數（/etc/sysctl.conf），hostname，啟用swap分區(qū)， 根文件系統(tǒng)的檢查和二次掛載（讀寫），激活RAID和LVM設備，啟用磁盤quota檢查并掛載其它文件系統(tǒng)等等。GRUB的基本原理以及對GRUB的操作控制方法：GRUB全稱為Grand Unified Boot Loader，是Linux操作系統(tǒng)主流的啟動引導管理器。主要作用是啟動和裝載Linux操作系統(tǒng)。系統(tǒng)啟動過程中一旦完成了BIOS自檢，GRUB會被立刻裝載。在GRUB里面包含了可以載入操作系統(tǒng)的代碼以及將操作系統(tǒng)引導權傳遞給其他啟動引導管理器的代碼。GRUB可以允許用戶選擇使用不同的kernel啟

18、動系統(tǒng)，或者在啟動系統(tǒng)的過程中設置不同的啟動參數。而通常BIOS會以下面兩種方法之一來調用啟動引導管理器：將控制權移交給于驅動器主引導記錄的initial program loader（IPL）；將控制權移交給其他啟動引導管理器，再由他們將控制權移交給安裝在分區(qū)引導扇區(qū)的IPL通常情況下啟動引導管理器GRUB由兩部分組成（stage1和stage2）：stage1比較小，通?？梢择v留在MBR或者各個磁盤分區(qū)的啟動扇區(qū)中，主要作用是裝載stage2。stage2比較大，從磁盤的啟動引導分區(qū)讀取至于在stage1和stage2之間存在一個stage1.5，是因為starge1.5具有識別文件系統(tǒng)的

19、能力。在Linux系統(tǒng)中對GRUB的配置有兩種方法：主要引導管理器：會將啟動引導管理器的stage1安裝在MBR上，這時啟動引導管理器必須被配置為可以傳遞控制權到其他操作系統(tǒng)；次要引導管理器：會將啟動引導管理器的stage1安裝在一些分區(qū)的引導扇區(qū)上，而其他的啟動引導管理器會被安裝在MBR上，由他們來向Linux啟動引導管理器傳遞控制權。GRUB在啟動過程中可以提供命令行交互界面，可以從ext系列，reiserfs，fat等多種文件系統(tǒng)引導系統(tǒng)，并且可以提供密碼加密功能，其內容在/boot分區(qū)下，系統(tǒng)啟動過程中由配置文件/boot/grub/grub.conf來定義啟動方式，對該配置文件的更改

20、會立即生效。在配置文件/boot/grub/grub.conf文件中定義的內容包括：grub所在的分區(qū)，引導系統(tǒng)所使用的kernel文件位置，硬件初始化使用的initrd文件位置，以及啟動參數。例如：grubroot (hd0,0) root指令為grub指定了一個根分區(qū) -grubkernel /xen.gz-2.6.18-37.el5 kernel指令將操作系統(tǒng)內核載入內存-grubmodule /vmlinuz-2.6.18-37.el5xen ro root=/dev/sda2 module指令加載指定的模塊-grubmodule /initrd-2.6.18-37.el5xen.im

21、g 指定initrd文件 -grubboot boot - 指令調用相應的啟動函數啟動OS內核可見其指定的內容大多數在/boot分區(qū)，如果切換到/boot分區(qū)之后會看到這些內容：/boot/vmlinuz-* linux kernel的一個copy；/boot/initrd*.img 初始化的ram disk文件/boot/grub/device.map linux設備名和grub設備名的映射文件/boot/grub/grub.conf 主配置文件通常GRUB出錯幾率不是很大，但一旦出現問題恐怕采用最多的方式是重裝grub到MBR中。在這種時候需要注意的問題有：首先，設備映射關系：GRUB里面

22、對設備名稱的定義和系統(tǒng)中對設備名稱的定義方法不一樣： （fd0） /dev/fd0 （hd0） /dev/sda /dev/hda （hd1） /dev/sdb /dev/hdb如夠進入系統(tǒng)或者救援模式，可執(zhí)行命令/sbin/grub-install /dev/sda（或者hda）進行GRUB重裝： # /sbin/grub-install device處于某種原因MBR中信息出錯可以使用上面的命令將其重裝到磁盤主引導記錄中；但是如果在不能進入系統(tǒng)的情況下就需要通過grub的命令行界面進行手動設置，這個時候就要注意上面所提到的映射關系。同時，在grub命令行中對grub進行手動設置的時候需要注

23、意所使用的命令： 指定啟動分區(qū) # root （hd0,0） - # 表示將grub安裝在主引導記錄上setup（hd0） - # 退出grub quit - shell下面是一個完整的grub.conf文件內容：rootdhcp-0-195 # cat /etc/grub.conf # grub.conf generated by anaconda# Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file# NOTICE:You have a /boot partition.This means th

24、at# all kernel and initrd paths are relative to /boot/, eg.# root (hd0,0)# kernel /vmlinuz-version ro root=/dev/VolGroup001/LogVol00# initrd /initrd-version.img#boot=/dev/sdadefault=0timeout=30splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gzhiddenmenupassword -md5 $1$apEcJWbA$DTJ8a6mKn/3yrTTSXBtdH0title Red H

25、at Enterprise Linux Client (2.6.18-8.1.1.el5) root (hd0,0) kernel /vmlinuz-2.6.18-8.1.1.el5 ro root=/dev/VolGroup001/LogVol00 crashkernel=128M16M initrd /initrd-2.6.18-8.1.1.el5.img系統(tǒng)啟動運行級別的概念以及服務的定制方法；當initrd可以正常檢測和裝載之后，最后的工作就基本上由操作系統(tǒng)來進行了。當系統(tǒng)的init進程起來之后系統(tǒng)啟動的控制權移交給init進程。/sbin/init進程是所有進程的父進程，當init起

26、來之后，它首先會讀取配置文件/etc/inittab，進行以下工作：1）執(zhí)行系統(tǒng)初始化腳本(/etc/rc.d/rc.sysinit)，對系統(tǒng)進行基本的配置，以讀寫方式掛載根文件系統(tǒng)及其它文件系統(tǒng)，后面需要進行運行級別的確定及相應服務的啟動，（從這個角度可以看出如果要定義系統(tǒng)的init動作，需要修改/etc/rc.d/rc.sysinit腳本）2）通過對/etc/inittab文件的讀取確定啟動后進入的運行級別；3) 在相應的運行級別中執(zhí)行/etc/rc.d/rcx.d目錄下的腳本名稱，該文件定義了服務啟動的順序是先K后S，而具體的每個運行級別的服務狀態(tài)是放在/etc/rc.d/rcn.d（n

27、=06）目錄下，但這些文件均是到/etc/init.d下的相應文件的鏈接。系統(tǒng)會按照在該目錄下的文件名稱和優(yōu)先級執(zhí)行對應運行級別目錄下的腳本：在某個運行級別的對應目錄下，K開頭的服務被關閉，S開頭的服務被開啟，K在S開始之前執(zhí)行，在執(zhí)行過程中按照數字來定義優(yōu)先級，數字越低優(yōu)先級越高。4）按照/etc/rc.d/rcX.d目錄中的定義，系統(tǒng)會于后臺啟動相應的服務，如果要對某個運行級別中的服務進行更具體的定制，通過chkconfig命令來操作，或者通過setup/ntsys/system-config-services來進行定制。5）在/etc/inittab文件中存在有關key sequence

28、，UPS的腳本定義，啟動虛擬終端/sbin/mingetty的設置，這時呈現給用戶的就是最終的登錄界面。也就是說后臺啟動的服務完畢之后，如果系統(tǒng)默認進入字符界面，則運行mgetty進入1-6號終端控制臺，如果系統(tǒng)默認進入圖形界面，則開啟gdm服務進入7號虛擬圖形控制臺。至此，系統(tǒng)啟動過程完畢。對于/etc/rc.d/rc.sysinit文件的說明：/etc/rc.d/rc.sysint - System Initialization Tasks 執(zhí)行系統(tǒng)初始化任務的腳本。它的主要工作有：配置selinux，系統(tǒng)時鐘，內核參數（/etc/sysctl.conf），hostname，啟用swap分

29、區(qū)， 根文件系統(tǒng)的檢查和二次掛載（讀寫），激活RAID和LVM設備，啟用磁盤quota檢查并掛載其它文件系統(tǒng)這是其基本要實現的工作內容：#!/bin/bash# /etc/rc.d/rc.sysinit - run once at boot time# Taken in part from Miquel van Smoorenburgs bcheckrc.# Check SELinux status # Because of a chicken/egg problem, init_crypto must be run twice./var may be# encrypted but /var/lib/random-seed is needed to initialize swap.# Only read this once.# Initialize hardware# Set default affinity# Load other user-defined modules# Load modules (for backward compatibility with VARs)# Start the graphical boot, if necessary; /usr may not be mounted yet, so we#