linux内核启动流程[转]

刚刚说到 Loader 的最主要功能是要认识操作系统的文件格式并据以加载核心到主内存中去运行。 由於不同操作系统的文件格式不一致，因此每种操作系统都有自己的 boot loader 啦！用自己的 loader 才有办法加载核心文件嘛！那问题就来啦，你应该有听说过多重操作系统吧？也就是在一部主机上面安装多种不同的操作系统。 既然你 (1)必须要使用自己的 loader 才能够加载属於自己的操作系统核心，而 (2)系统的 MBR 只有一个，那你怎么会有办法同时在一部主机上面安装 Windows 与 Linux 呢？

其实每个文件系统 (filesystem, 或者是 partition) 都会保留一块启动磁区 (boot sector) 提供操作系统安装 boot loader ， 而通常操作系统默认都会安装一份 loader 到他根目录所在的文件系统的 boot sector 上。如果我们在一部主机上面安装 Windows 与 Linux 后，该 boot sector, boot loader 与 MBR 的相关性会有点像下图：

如上图所示，每个操作系统默认是会安装一套 boot loader 到他自己的文件系统中 (就是每个 filesystem 左下角的方框)，而在 Linux 系统安装时，你可以选择将 boot loader 安装到 MBR 去，也可以选择不安装。 如果选择安装到 MBR 的话，那理论上你在 MBR 与 boot sector 都会保有一份 boot loader 程序的。 至於 Windows 安装时，他默认会主动的将 MBR 与 boot sector 都装上一份 boot loader！所以啦， 你会发现安装多重操作系统时，你的 MBR 常常会被不同的操作系统的 boot loader 所覆盖啦！ ^_^

我们刚刚提到的两个问题还是没有解决啊！虽然各个操作系统都可以安装一份 boot loader 到他们的 boot sector 中， 这样操作系统可以透过自己的 boot loader 来加载核心了。问题是系统的 MBR 只有一个哩！ 你要怎么运行 boot sector 里面的 loader 啊？

boot loader 主要的功能如下：

• 提供菜单：使用者可以选择不同的启动项目，这也是多重启动的重要功能！
• 加载核心文件：直接指向可启动的程序区段来开始操作系统；
• 转交其他 loader：将启动管理功能转交给其他 loader 负责。

由於具有菜单功能，因此我们可以选择不同的核心来启动。而由於具有控制权转交的功能，因此我们可以加载其他 boot sector 内的 loader 啦！不过 Windows 的 loader 默认不具有控制权转交的功能，因此你不能使用 Windows 的 loader 来加载 Linux 的 loader 喔！这也是为啥第三章谈到 MBR 与多重启动时，会特别强调先装 Windows 再装 Linux 的缘故。 我们将上述的三个功能以底下的图示来解释你就看的懂了！(与第三章的图示也非常类似啦！)

如上图所示，我的 MBR 使用 Linux 的 grub 这个启动管理程序，并且里面假设已经有了三个菜单， 第一个菜单可以直接指向 Linux 的核心文件并且直接加载核心来启动；第二个菜单可以将启动管理程序控制权交给 Windows 来管理，此时 Windows 的 loader 会接管启动流程，这个时候他就能够启动 windows 了。第三个菜单则是使用 Linux 在 boot sector 内的启动管理程序，此时就会跳出另一个 grub 的菜单啦！了解了吗？

而最终 boot loader 的功能就是『加载 kernel 文件』啦！

加载核心侦测硬件与 initrd

当我们藉由 boot loader 的管理而开始读取核心文件后，接下来， Linux 就会将核心解压缩到主内存当中， 并且利用核心的功能，开始测试与驱动各个周边装置，包括储存装置、CPU、网络卡、声卡等等。 此时 Linux 核心会以自己的功能重新侦测一次硬件，而不一定会使用 BIOS 侦测到的硬件资讯喔！也就是说，核心此时才开始接管 BIOS 后的工作了。 那么核心文件在哪里啊？一般来说，他会被放置到 /boot 里面，并且取名为 /boot/vmlinuz 才对！

[root@www ~]# ls --format=single-column -F /boot
config-2.6.18-92.el5      <==此版本核心被编译时选择的功能与模块配置档
grub/                     <==就是启动管理程序 grub 相关数据目录
initrd-2.6.18-92.el5.img  <==虚拟文件系统档！
System.map-2.6.18-92.el5  <==核心功能放置到内存位址的对应表
vmlinuz-2.6.18-92.el5     <==就是核心文件啦！最重要者！

从上表我们也可以知道此版本的 Linux 核心为 2.6.18-92.el5 这个版本！为了硬件开发商与其他核心功能开发者的便利， 因此 Linux 核心是可以透过动态加载核心模块的 (就请想成驱动程序即可)，这些核心模块就放置在 /lib/modules/ 目录内。 由于模块放置到磁盘根目录内 (要记得 /lib 不可以与 / 分别放在不同的 partition ！)， 因此在启动的过程中核心必须要挂载根目录，这样才能够读取核心模块提供加载驱动程序的功能。 而且为了担心影响到磁碟内的文件系统，因此启动过程中根目录是以唯读的方式来挂载的喔。

一般来说，非必要的功能且可以编译成为模块的核心功能，目前的 Linux distributions 都会将他编译成为模块。 因此 U盘, SATA, SCSI... 等磁碟装置的驱动程序通常都是以模块的方式来存在的。 现在来思考一种情况，假设你的 linux 是安装在 SATA 磁碟上面的，你可以透过 BIOS 的 INT 13 取得 boot loader 与 kernel 文件来启动，然后 kernel 会开始接管系统并且侦测硬件及尝试挂载根目录来取得额外的驱动程序。

问题是，核心根本不认识 SATA 磁碟，所以需要加载 SATA 磁碟的驱动程序， 否则根本就无法挂载根目录。但是 SATA 的驱动程序在 /lib/modules 内，你根本无法挂载根目录又怎么读取到 /lib/modules/ 内的驱动程序？是吧！非常的两难吧！在这个情况之下，你的 Linux 是无法顺利启动的！ 那怎办？没关系，我们可以透过虚拟文件系统来处理这个问题。

虚拟文件系统 (Initial RAM Disk) 一般使用的档名为 /boot/initrd ，这个文件的特色是，他也能够透过 boot loader 来加载到内存中， 然后这个文件会被解压缩并且在内存当中模拟成一个根目录， 且此模拟在内存当中的文件系统能够提供一支可运行的程序，透过该程序来加载启动过程中所最需要的核心模块， 通常这些模块就是 U盘, RAID, LVM, SCSI 等文件系统与磁碟介面的驱动程序啦！等加载完成后， 会帮助核心重新呼叫 /sbin/init 来开始后续的正常启动流程。

如上图所示，boot loader 可以加载 kernel 与 initrd ，然后在内存中让 initrd 解压缩成为根目录， kernel 就能够藉此加载适当的驱动程序，最终释放虚拟文件系统，并挂载实际的根目录文件系统， 就能够开始后续的正常启动流程。更详细的 initrd 说明，你可以自行使用 man initrd 去查阅看看。 底下让我们来了解一下 CentOS 5.x 的 initrd 文件内容有什么吧！

# 1. 先将 /boot/initrd 复制到 /tmp/initrd 目录中，等待解压缩：
[root@www ~]# mkdir /tmp/initrd
[root@www ~]# cp /boot/initrd-2.6.18-92.el5.img /tmp/initrd/
[root@www ~]# cd /tmp/initrd
[root@www initrd]# file initrd-2.6.18-92.el5.img
initrd-2.6.18-92.el5.img: gzip compressed data, ...
# 原来是 gzip 的压缩档！因为是 gzip ，所以扩展名给他改成 .gz 吧！

# 2. 将上述的文件解压缩：
[root@www initrd]# mv initrd-2.6.18-92.el5.img initrd-2.6.18-92.el5.gz
[root@www initrd]# gzip -d initrd-2.6.18-92.el5.gz
[root@www initrd]# file initrd-2.6.18-92.el5
initrd-2.6.18-92.el5: ASCII cpio archive (SVR4 with no CRC)
# 搞了老半天，原来还是 cpio 的命令压缩成的文件啊！解压缩看看！

# 3. 用 cpio 解压缩
[root@www initrd]# cpio -ivcdu < initrd-2.6.18-92.el5
[root@www initrd]# ll
drwx------ 2 root root    4096 Apr 10 02:05 bin
drwx------ 3 root root    4096 Apr 10 02:05 dev
drwx------ 2 root root    4096 Apr 10 02:05 etc
-rwx------ 1 root root    1888 Apr 10 02:05 init
-rw------- 1 root root 5408768 Apr 10 02:00 initrd-2.6.18-92.el5
drwx------ 3 root root    4096 Apr 10 02:05 lib
drwx------ 2 root root    4096 Apr 10 02:05 proc
lrwxrwxrwx 1 root root       3 Apr 10 02:05 sbin -> bin
drwx------ 2 root root    4096 Apr 10 02:05 sys
drwx------ 2 root root    4096 Apr 10 02:05 sysroot
# 看！是否很像根目录！尤其也是有 init 这个运行档！务必看一下权限！
# 接下来看看 init 这个文件内有啥咚咚？

# 4. 观察 init 文件内较重要的运行项目
[root@www initrd]# cat init
#!/bin/nash                  <==使用类似 bash 的 shell 来运行
mount -t proc /proc /proc    <==挂载内存的虚拟文件系统
....(中间省略)....
echo Creating initial device nodes
mknod /dev/null c 1 3        <==创建系统所需要的各项装置！
....(中间省略)....
echo "Loading ehci-hcd.ko module"
insmod /lib/ehci-hcd.ko      <==加载各项核心模块，就是驱动程序！
....(中间省略)....
echo Creating root device.
mkrootdev -t ext3 -o defaults,ro hdc2 <==尝试挂载根目录啦！
....(底下省略)....

透过上述运行档的内容，我们可以知道 initrd 有加载模块并且尝试挂载了虚拟文件系统。 接下来就能够顺利的运行啦！那么是否一定需要 initrd 呢？

是否没有 initrd 就无法顺利启动？
答：
不见得的！需要 initrd 最重要的原因是，当启动时无法挂载根目录的情况下， 此时就一定需要 initrd ，例如你的根目录在特殊的磁碟介面 (U盘, SATA, SCSI) ， 或者是你的文件系统较为特殊 (LVM, RAID) 等等，才会需要 initrd。

如果你的 Linux 是安装在 IDE 介面的磁碟上，并且使用默认的 ext2/ext3 文件系统， 那么不需要 initrd 也能够顺利的启动进入 Linux 的！

在核心完整的加载后，您的主机应该就开始正确的运行了

 转自 http://vbird.dic.ksu.edu.tw/linux_basic/0510osloader_1.php