linux系统启动

本文简单介绍一下从我们按开机键到可以登录系统，这段时间系统和电脑硬件是怎么一起工作的。既做为对自己知识的一个总结整理，也可以给linux初级用户做一个入门介绍，高手请略过。

一般来说linux的启动可以分成三个阶段：BIOS阶段，系统引导阶段，系统启动阶段。

一、BIOS阶段

BIOS（基本输入输出系统），是固化在电脑ROM中的一段程序。这是安装电脑前都已经固化好的。

对电脑有一些了解的同学应该都知道电脑是由cpu,内存，硬盘，显示器等再加一个铁盒子封装起来，而电脑的运行都是由CPU一条条指令执行并指挥着其他硬件一起协作来完成电脑的正常运行。当我们按电脑开机键的时候，电脑的电源部件就会给CPU以及其他硬件上电，然后CPU开始执行第一条指令，而这第一条指令的地址就是BIOS所在的地址。也即BIOS是电脑中运行的第一个程序，还在操作系统(linux,windows,osx等)之前。再说一下这个“地址”，CPU的指令地址是由CPU中的两个寄存器来标识的（CS:IP），而CPU的硬件逻辑被设计成加电之后置CS为全F，置IP为全0，所以这个“地址”就是0xFFFF0(计算方法：CS × 16 + IP)

BIOS的主要功能是检测电脑的基本硬件是否满足运行要求，以及初始化硬件状态、中断向量表、中断服务程序等。根据获取的硬件信息去加载可引导介质（目前都是硬盘）的首扇区(MBR)到内存中运行，并把控制权转交给此程序，这样就到了运行的第二个阶段。

二、系统引导阶段

MBR是一个512字节大小的映射，详细信息可以参考下图(图片来自linux引导过程内幕)：

Bootloader: 引导程序

Partition table: 硬盘分区信息

Magic Number: MBR标识，正常值为：0xAA55

其实这里的Bootloader并不是引导程序的全部，而只是引导程序可执行的一小部分（因为MBR的空间太小装不下整个引导程序）我们称为第一阶段引导程序，主要工作是为了加载引导程序的剩余部分，称其为第二阶段引导程序。第二阶段引导程序的主要功能就是加载操作系统，并将控制权转交给内核。常见的引导程序有LILO，GRUB等。

三、系统运行启动阶段

linux内核代码现在已经很是庞大，编译好之后一般都还有5M左右，所以都是用bzImage方式压缩。早期代码的执行顺序可以看linux引导过程内幕和linux启动过程综述。

本文写作时内核已经3.17版本了，在新版本中:

1，内核代码的入口是arch\x86\boot\header.S，此汇编代码通过调用同目录下的main.c中的main函数，从实模式（16位）转换到保护模式（32位）。

2，protected_mode_jump(boot_params.hdr.code32_start, (u32)&boot_params + (ds() << 4));函数的调用会跳转到x86/boot/compressed/head_32.S中的startup_32标号处执行。此代码会调用decompress_kernel函数解压内核（bzImage）映像文件。详细的跳转过程可以参考：linux kernel boot process

3，并跳转到x86/kernel/head_32.S中的startup_32标号处执行。此代码会调用i386_start_kernel函数，而i386_start_kernel会调用linux内核的主函数start_kernel。

注意：64位有相应的head_64.S汇编代码。流程很类似。

4，将linux比作一个应用程序的话，start_kernel就是linux的main函数。前面的那些代码只是为了linux的运行而做的准备工作。在此函数中才开始我们熟悉的初始化内核各模块的动作，像锁机制，进程调度，文件系统等等的初始化工作。最后调用kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);去执行linux系统下的第一个进程“init”进程。

5，linux应用层的初始化都是由init调用启动脚本来完成的，最后调用一个login的进程可以显示我们的登录界面。这里最常见的init有sysvinit, upstart, systemd。