计算机那些事(2)——开机启动过程

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首先用一张图来大致了解一下计算机启动的整个过程。

上电

按下主机的电源键后，计算机开始启动，主板上电后开始初始化其固件（firmware）。固件是一些固化在芯片组上的程序，它会试图去启动 CPU。如果启动失败（例如 CPU 坏了或没插好），计算机就会死机并给出错误提示（如某些版本的主板固件会发出蜂鸣警告）。这种状态称为“zoombie-with-fans”。

如果前一个阶段未出错，就开始加电工作，在多 CPU 或多核 CPU 情况下，某一个 CPU 会被随机选取作为启动 CPU（bootstrap processor，BSP）运行 BIOS 内部的程序。其余的 CPU（application processor，AP）保持停机直到操作系统内核显式地使用它们。

2000 年以前的计算机主板上均使用 BIOS，如今绝大多数计算机采用的是 EFI（Mac 用的就是 EFI）或 UEFI，BIOS 正在逐步被淘汰。基于 EFI、UEFI 的开机过程与传统的BIOS不尽相同，本文将以传统的 BIOS，Intel CPU 为例介绍开机过程。

此时 CPU 工作模式为实模式，该模式下地址总线是 20 位，寻址范围是 0x00000~0xFFFFF 的 1M 范围。这也就解释了为什么 BIOS 的容量只有 1MB。

Intel CPU 用三种运行模式: 实模式、32 位保护模式、64 位保护模式。实模式: Intel 8086 的寻址方案，为了商业连续性，兼容了这古老的方案；保护模式: 采用了虚实地址转换方案。

BIOS 启动之初，内存是空的。此时 CPU 处于实模式，内存的地址映射均为硬连接的设备。内存映射图如下图所示:

重置向量

CPU 启动后其大多数寄存器会被初始化为预定的值，包括指令寄存器（instruction pointer, EIP），它保存着 CPU 将要执行指令的内存地址。此时 CPU 会有一个特殊行为，其会对 EIP 的初始值加上一个基址寄存器的值，生成一个 32 位的地址 0xFFFFFFF0。之所以称为特殊行为，是因为实模式下 CPU 只能寻址 1MB 地址空间，而这个 32 位地址已经大于 1MB 的内存限制。因此，0xFFFFFFF0 也被称为重置向量（reset vector），参考上图 0xFFFFFFF0 处的标识。

于是，CPU 开始执行 0xFFFFFFF0 地址处的指令，该地址处是一条 JUMP 指令，这条指令清空了基址寄存器的值，并让指令跳回到 BIOS 开始处（物理地址为 0xF0000，参考上图 0xF0000 处的标识）以执行 BIOS。

BIOS 内部可以分成两个区块: code block（普通程序）、boot block（引导程序）。上电后，boot block 会先被执行，它会检查 code block 的代码是否正确，如果正确，就会转到 code block 继续执行下去。

BIOS 初始化

0xF0000 地址实际上是 BIOS 中的 boot block 的开始处。在这个阶段，会初始化部分硬件。系统的 CPU、USB 只有部分被初始化。

BIOS POST（加电自检）

初始化完成后，CPU 跳转到 0xA0000 地址处（参考上图 640KB 处）进行 BIOS 加电自检（power on self test, POST）。这个过程会检查计算机的各项组件，如 CPU、显卡、内存、鼠标、键盘等。如果找不到内存或者键盘都有可能让BIOS停止工作并且打印一些相关的错误信息，如果找不到显卡 BIOS 会发出蜂鸣警告（因为无法显示画面） 当 CPU 执行到 0xC0000 地址处（参考上图 768KB 处），开始寻找其他设备的 ROM，如果找到任何其他设备的 BIOS，它们也会被执行。 下一步，显卡就会显示 BIOS 界面，并进行更深入的检查。

BIOS 记录系统设定值

检查完成后，BIOS 会根据自己的“系统资源表”，对系统进行进一步确认，从而确定计算机配有哪些资源或设备。例如 BIOS 支持随插即用，它会检测并配置随插即用设备。 然后 BIOS 会遵循高级配置电源接口（Advanced Configuration Power Interface，ACPI）在内存中设置好一系列的数据来描述硬件信息，以便被操作系统内核利用。

搜索 MBR

到这一步，BIOS 开始尝试加载操作系统。它会从硬盘，光驱，软驱，网络等几个地方依次寻找操作系统（用户可以在 BIOS 设定中修改查找的优先级）。如果找不到操作系统，BIOS 会停机并给出错误信息。

假设在硬盘上找到了操作系统，它会首先读取硬盘上的大小为 512 Bytes 的 0号扇区，这个扇区被称为 主引导记录（master boot record，MBR），其包含三部分：

  1. 引导程序（Boot Loader）
  2. 硬盘分区表（Partition Table）
  3. 结束标志字

BIOS 读完磁盘上的 MBR 之后会把它拷贝到内存 0x7C00 地址处，然后 CPU 跳转到该内存地址执行 MBR 里的指令。事实上，被复制到物理内存的内容就是 Boot Loader。常见的 Boot Loader 有 grub、lilo、spfdisk。下图可以帮助大家理解 MBR 的结构。

关于磁盘、分区表等基础知识，可参见 计算机那些事(1)——磁盘。

Boot Loader 执行

以常见的 Linux Boot Loader —— grub 为例。

Grub 加载后首先进行 内存盘初始化。Boot Loader 会将存储介质中的 initrd 文件加载到内存，内核启动时会在访问真正的根文件系统之前先访问内存中的 initrd 文件系统。

关于 initrd
Linux 内核需要适应多种不同的硬件架构，但是将所有的硬件驱动编入内核是不切实际的，而且内核也不可能每新出一种硬件结构，就将该硬件的设备驱动写入内核。实际上，Linux 的内核镜像仅包含了基本的硬件驱动，在系统安装过程中检测系统的硬件信息，根据安装信息和系统硬件信息将一部分设备驱动写入 initrd（bootloader initialized RAM disk。

内存盘初始化完毕之后， grub 会根据配置文件 /boot/grub/grub.cfg 设定的内核镜像 vmlinuz 所在的路径，加载内核镜像，并进行解压缩操作。此时，屏幕一般会出现 “Uncompressing Linux” 的提示。当解压缩内核完成后，屏幕一般会输出 “OK, booting the kernel”。

内核加载至内存完成后，grub 将控制权转交给内核。

内核启动

在 Boot Loader 配置了 initrd 的情况下，内核启动被分成了两个阶段：

  1. 执行 initrd 的文件系统中的 init 脚本。此阶段，内核会将控制权交给 init 文件处理。init 主要是加载各种存储介质相关的设备驱动。当所需的驱动程序加载完毕，就会创建一个根设备，然后将根文件系统 rootfs 以只读的方式挂载。这一步完成后，释放未使用的内存，并转换到真正的根文件系统中，进行第 2 阶段的处理。
  2. 执行真正的根文件系统中的 /sbin/init 进程，即系统的 1 号进程。此后，系统的控制权就全权交给 /sbin/init 进程了。

系统初始化

/sbin/init 进程是系统其它所有进程的父进程，当它接管了系统控制权后，它会根据 /etc/inittab 文件来执行相应的脚本，从而完成一系列的系统初始化操作。主要包括以下步骤：

  1. 设置运行等级。Linux 有运行等级如下：
    • 0：关机
    • 1：单用户模式
    • 2：无网络支持的多用户模式
    • 3：有网络支持的多用户模式
    • 4：保留，未使用
    • 5：有网络支持、有 X-Window 支持的多用户模式
    • 6：重新引导系统，即重启
  2. 执行 rc.sysinit。运行等级设置完成后，Linux 系统执行的第一个用户层文件是 /etc/rc.d/rc.sysinit 脚本程序，其完成的初始化操作主要包括：设置 PATH、设置网络配置/etc/sysconfig/network、启动 swap 分区、设置 /proc 等。
  3. 执行不同运行级别的脚本程序。根据运行级别的不同，系统会运行 rc0.d ~ rc6.d 中对应的脚本，从而完成对应的初始化工作，启动对应的服务。
  4. 执行 /etc/rc.d/rc.local。rc.local 是 Linux 运行用户进行个性化设置的脚本。
  5. 执行 /bin/login。进入登录状态。此时，系统已经进入到等待用户输入 username 和 password 的阶段。

参考

  1. How Computers Boot Up
  2. 即将换掉传统BIOS的UEFI
  3. Linux启动过程详解-《别怕Linux编程》之八
  4. 《Linux 系统架构与目录解析》
  5. INITRD 详解
  6. inux中init.d文件夹的说明
  7. Linux启动过程分析与优化，浙江大学硕士毕业论文
  8. 深入理解linux启动过程

（完）