Linux — 启动过程

  1. 主板上有ROM,是 只读 的,上面固化了BIOS程序
  2. ROM:Read Only Memory
  3. RAM:Read Access Memory
  4. BIOS:Basic Input and Output System

1M寻址空间

  1. 在x86系统,将1M的 内存空间 最上面的 0xF0000~0xFFFFF64K 空间映射给ROM
  2. 电脑在刚启动时,会做一些重置的工作,将CPU的CS设置为 0xFFFF ,将CPU的IP设置为 0x0000
    • 因此,第一条指令将指向 0xFFFF0 (0xFFFF << 4 + 0x0000),在ROM的范围内
    • 在这里,有一个 JMP 命令(约定)会跳到ROM中执行初始化工作的代码,接着BIOS开始进行 初始化 的工作
      • BIOS检查一下 系统硬件 是否都正常
      • 建立一个 中断向量表中断服务程序 ,因为要使用键盘和鼠标,这些都是要通过中断来进行的
      • 在内存空间映射显存的空间,在显示器上显示一些字符

bootloader

  1. BIOS在做完自己的事情后,便开始打听操作系统的下落
  2. 操作系统一般会安装在磁盘上,在BIOS界面,有一个选择 启动盘 的选项
    • 启动盘的特点:一般在 第一个扇区 (512字节),以 0xAA55 结束
    • 这是一个 约定 ,当满足这个条件时,说明这是一个启动盘,在512字节以内会 启动 相关的代码

Grub

Grub: Grand Unified Bootloader Version 2

启动列表

$ cat /boot/grub2/grub.cfg

### BEGIN /etc/grub.d/10_linux ###
menuentry 'CentOS Linux (3.10.0-957.el7.x86_64) 7 (Core)' --class centos --class gnu-linux --class gnu --class os --unrestricted $menuentry_id_option 'gnulinux-3.10.0-957.el7.x86_64-advanced-d29269ec-9932-4955-9c91-22cf19b96f1b' {
        load_video
        set gfxpayload=keep
        insmod gzio
        insmod part_msdos
        insmod xfs
        set root='hd0,msdos1'
        if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; then
          search --no-floppy --fs-uuid --set=root --hint-bios=hd0,msdos1 --hint-efi=hd0,msdos1 --hint-baremetal=ahci0,msdos1 --hint='hd0,msdos1'  426233b2-066b-4537-b029-5abf3aca8a06
        else
          search --no-floppy --fs-uuid --set=root 426233b2-066b-4537-b029-5abf3aca8a06
        fi
        linux16 /vmlinuz-3.10.0-957.el7.x86_64 root=/dev/mapper/centos-root ro crashkernel=auto rd.lvm.lv=centos/root rd.lvm.lv=centos/swap rhgb quiet
        initrd16 /initramfs-3.10.0-957.el7.x86_64.img
}
menuentry 'CentOS Linux (0-rescue-b73c751c3f7145f995aa2c110745e89b) 7 (Core)' --class centos --class gnu-linux --class gnu --class os --unrestricted $menuentry_id_option 'gnulinux-0-rescue-b73c751c3f7145f995aa2c110745e89b-advanced-d29269ec-9932-4955-9c91-22cf19b96f1b' {
        load_video
        insmod gzio
        insmod part_msdos
        insmod xfs
        set root='hd0,msdos1'
        if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; then
          search --no-floppy --fs-uuid --set=root --hint-bios=hd0,msdos1 --hint-efi=hd0,msdos1 --hint-baremetal=ahci0,msdos1 --hint='hd0,msdos1'  426233b2-066b-4537-b029-5abf3aca8a06
        else
          search --no-floppy --fs-uuid --set=root 426233b2-066b-4537-b029-5abf3aca8a06
        fi
        linux16 /vmlinuz-0-rescue-b73c751c3f7145f995aa2c110745e89b root=/dev/mapper/centos-root ro crashkernel=auto rd.lvm.lv=centos/root rd.lvm.lv=centos/swap rhgb quiet
        initrd16 /initramfs-0-rescue-b73c751c3f7145f995aa2c110745e89b.img
}
if [ "x$default" = 'CentOS Linux (3.10.0-957.el7.x86_64) 7 (Core)' ]; then default='Advanced options for CentOS Linux>CentOS Linux (3.10.0-957.el7.x86_64) 7 (Core)'; fi;
### END /etc/grub.d/10_linux ###

grub2-mkconfig

$ grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg
Generating grub configuration file ...
Found linux image: /boot/vmlinuz-3.10.0-957.el7.x86_64
Found initrd image: /boot/initramfs-3.10.0-957.el7.x86_64.img
Found linux image: /boot/vmlinuz-0-rescue-b73c751c3f7145f995aa2c110745e89b
Found initrd image: /boot/initramfs-0-rescue-b73c751c3f7145f995aa2c110745e89b.img
done

grub2-install

# 将启动程序安装到相应的位置
$ grub2-install /dev/sdb
Installing for i386-pc platform.
Installation finished. No error reported.

imgs

$ ll /boot/grub2/i386-pc/*.img
-rw-r--r--. 1 root root   512 4月  11 22:16 /boot/grub2/i386-pc/boot.img
-rw-r--r--. 1 root root 27810 4月  11 22:16 /boot/grub2/i386-pc/core.img

ll /usr/lib/grub/i386-pc/*img
-rw-r--r--. 1 root root   512 11月  8 19:58 /usr/lib/grub/i386-pc/boot_hybrid.img
-rw-r--r--. 1 root root   512 11月  8 19:58 /usr/lib/grub/i386-pc/boot.img
-rw-r--r--. 1 root root  2048 11月  8 19:58 /usr/lib/grub/i386-pc/cdboot.img
-rw-r--r--. 1 root root   512 11月  8 19:58 /usr/lib/grub/i386-pc/diskboot.img
-rw-r--r--. 1 root root 28120 11月  8 19:58 /usr/lib/grub/i386-pc/kernel.img
-rw-r--r--. 1 root root  1024 11月  8 19:58 /usr/lib/grub/i386-pc/lnxboot.img
-rw-r--r--. 1 root root  2896 11月  8 19:58 /usr/lib/grub/i386-pc/lzma_decompress.img
-rw-r--r--. 1 root root  1024 11月  8 19:58 /usr/lib/grub/i386-pc/pxeboot.img

boot.img

  1. grub2第一个要安装的是boot.img,它由boot.S编译而成,一共 512 字节,被安装到 启动盘的第一个扇区
    • 这个扇区通常称为 MBR (Master Boot Record, 主引导记录/扇区
  2. BIOS完成任务后,会将boot.img从硬盘加载到内存中的 0x7c00 来运行
  3. 由于boot.img只有512字节,因此能做的事情非常有限,它能做的最重要的一件事情是加载grub2的另一个镜像 core.img

core.img

  1. core.img由 diskboot.img、lzma_decompress.img、kernel.img (Grub内核)和一系列模块组成
  2. boot.img先加载core.img的 第一个扇区 ,如果从硬盘启动,这个扇区里面的是diskboot.img,对应的代码是diskboot.S
  3. boot.img将 控制权 交给diskboot.img后,diskboot.img的任务就是将 core.img的其他部分 加载进来
    • 先加载lzma_decompress.img,再加载kernel.img(Grub内核),最后是各个module对应的img
  4. lzma_decompress.img对应的代码是startup_raw.S,kernel.img是压缩过的,因此在执行之前,需要先 解压缩
  5. 在这之前,所有遇到过的程序都非常小,完全可以在 实模式 下运行
    • 但随着加载的东西越来越大,实模式的1M地址空间最终会放不下了
    • 所以在 真正的解压缩之前 ,lzma_decompress.img会调用 real_to_prot ,切换到 保护模式
    • 这样就能使用更大的寻址空间,加载更大的内容

实模式 -> 保护模式

切换到 保护模式 需要执行很多工作,大部分工作都与 内存的访问方式 有关

分段 + 分页

  1. 启动分段 :在内存里建立 段描述符 ,将 段寄存器 变成 段选择子 ,指向 段描述符 ,这样就能实现 不同进程的切换
  2. 启动分页 :能够管理的内存变大了,就需要将内存分成 相等大小的块

real_to_prot

  1. 实模式 下,一共有20根地址线,可以访问1M的地址空间
  2. 保护模式 下,第21根就要起作用了,需要打开Gate A20,即第21根地址线的 控制线
  3. 函数: DATA32 call real_to_prot (startup_raw.S)
  4. 此时此刻,有的是空间,接下来需要对压缩过的kernel.img进行 解压缩 ,然后跳转到kernal.img开始执行

kernal.img

  1. kernal.img对应的代码是startup.S以及一堆c文件,在startup.S中会调用grub_main函数
    • 在grub_main函数中,首先从 grub_load_config () 开始解析 grub.conf
    • 如果能够正常启动,grub_main函数会调用 grub_command_execute("normal", 0, 0)
    • 最终会调用 grub_normal_execute() 函数
      • 在这个函数里, grub_show_menu() 会列出可选择的操作系统列表
  2. 选择了一项,就要开始启动某个操作系统,调用 grub_menu_execute_entry()
    • linux16 命令
      • 装载指定的内核文件传递内核启动参数 ,调用 grub_cmd_linux 函数
      • 首先读取 Linux内核镜像头部 的一些数据结构,放到内存中的数据结构来检查
      • 如果检测通过,就会读取 整个Linux内核镜像 到内存
    • initrd 命令
      • 用于为即将启动的内核传递 init ramdisk 路径
      • 调用 grub_cmd_initrd 函数,将 initramfs 加载到内存中
    • 最后,调用 grub_command_execute("boot",0,0) 函数,这才开始 真正地启动内核

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