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X86架构下Linux启动过程分析

X86架构下Linux启动过程分析

1X86架构下的从开机到Start_kernel启动的总体过程
这个过程简要概述为:
开机——>BIOS——>GRUB/LILO——>Linux Kernel
其运行的流程图和重要函数如下图所示:

2、加载Linux内核(基于X86)的内存布局图

|          |
0A0000 +--------------------------+
|  Reserved for BIOS    | Do not use. Reserved for BIOS EBDA.
09A000 +--------------------------+
|  Command line    |
|  Stack/heap    | For use by the kernel real-mode code.
098000 +--------------------------+
|  Kernel setup    | The kernel real-mode code.
090200 +--------------------------+ <---  __start函数开始执行地址
|  Kernel boot sector    | The kernel legacy boot sector.
090000 +--------------------------+ <---  header.S
|  Protected-mode kernel | The bulk of the kernel image.
010000 +--------------------------+
|  Boot loader    | <- Boot sector entry point 0000:7C00
001000 +--------------------------+
|  Reserved for MBR/BIOS |
000800 +---------------------------+
|  Typically used by MBR |
000600 +--------------------------+
|  BIOS use only        |
000000 +--------------------------+

3、启动
2BIOS启动引导阶段
BIOS调用Bootloader来把操作系统的内核映像加载到系统RAM中。
(1)、当PC的电源打开后,80x86架构的cpu将自动进入实模式,并从地址0xFFFF0(CS0xFFFFIP0x0)开始自动执行程序代码,这个地址通常是BIOS的地址。
(2)、BIOS的首先进行POSTPower On Self Test即加电后自检),检测系统中一些关键设备是否存在和能否正常工作,例如内存和显卡等设备。此时显卡还没有初始化,如果发现了一些致命错误,例如没有找到内存或者内存有问题(此时只会检查640K常规内存),BIOS会直接控制喇叭发声来报告错误,声音的长短和次数代表了错误的类型。
(3)、然后物理地址0处开始初始化中断向量(注意:这个BIOS的中断向量很重要,后边的很多和硬盘等的交互都是通过此中断向量完成的)。
(4)、此后,BIOS将启动设备的第一个扇区(0磁道第一个扇区被称为MBR即主引导记录,它的大小是512字节,里面存放了用汇编语言编写的预启动信息、分区表信息、魔数0x55AA),读入内存绝对地址0x7C00处,并跳转到这个地址并执行。其实被复制到物理内存0x7C00处的内容就是Boot Loader,对于较早的内核不靠grub启动的,它就是bootsect.S程序,而对于现在PC多数使用grub引导启动的,就是lilo或者grub了。
3Bootloader阶段
Bootloader程序是为计算机加载(load)计算机OS内核的。bootloader程序通常位于硬盘上,被BIOS调用,用于加载内核。在PC机上常见的bootloader主要有grub和lilo等。
    GRUBGRand Unified Bootloader)是当前linux诸多发行版本默认的引导程序。嵌入式系统上,最常见的bootloaderU-BOOT。这样的bootloader一般位于MBR的最前部。在linux系统中,bootloader也可以写入文件系统所在分区中。比如,grub程序就非常强大。 Gurb运行后,将初始化设置内核运行所需的环境。然后加载内核镜像。grub磁盘引导全过程:
1stage1、grub读取磁盘的第一个512字节的主引导记录MBR
(2stage1.5、识别各种不同的文件系统格式,目的是为了grub能识别到文件系统。
3stage2、加载系统引导菜单(/boot/grub/menu.lstgrub.lst),加载内核vmlinuzRAM磁盘initrd

4Linux内核启动过程
内核映像文件vmlinuz:包含有linux内核的静态链接的可执行文件,传统上,vmlinux被称为可引导的内核镜像。vmlinuzvmlinux的压缩文件。其构成包括:
1第一个512字节的bootsect(第一个块)
2第二个是setup代码,若干不多个512字节(一会再说它多大)
3保护模式下的内核代码
    bzImage文件:使用make bzImage命令编译内核源代码,可以得到采用zlib算法压缩的zImage文件,即big zImage文件。老的zImage解压缩内核到低端内存,bzImage则解压缩内核到高端内存(1M0x100000)以上),在保护模式下执行。
bzImage文件由setup和vmlinux两部分组成,setup是实模式下的代码,vmlinux是保护模式下的代码。具体包含vmlinuzbootsect.osetup.o、解压缩程序misc.o、以及其他一些相关文件(如 piggy.o)。
initramfs(initrd)文件:initrdinitialized ram disk的意思。主要用于加载硬件驱动模块,辅助内核的启动,挂载真正的根文件系统。
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