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转 Linux 引导加载学习笔记本文以是我的学习记录，其中一些文字和图片来自参考资料所列文档，感谢作者对其知识和分享！最近在自学Linux kernel方面的东西，这两天了粗浅的研究了下kernel boot过程，在此记录。这里所指Linux引导加载未涉及虚拟化环境，即系统未运行在hypervisor之上。Linux通过执行不同阶段的引导加载程序(boot loader)程序来引导操作系统，在完成内核等引导之后，最终会由调度器接管CPU，其通过启用中断来周期性的抢占控制权，处理多个用户进程/客户进程(kvm虚拟化)。Top level的引导过程如下图。整个Linux系统引导共分5步执行操作：BIOS/BootMonitor引导程序；BIOS包括POST和Runtime服务。被称为第一阶段的MBR(Master boot record)引导程序；位于BIOS配置的启动磁盘0柱面1扇区的主引导记录，用于启动第二阶段的linux boot loader。被称为第二阶段的linux boot loader；主要有LILO(Linux loader)和GNU GRUB(Grand unified boot loader)两种boot loader程序，现主流为GRUB。包括了通过initrd来创建RAM盘，执行init脚本，通过LKM(linux kernel module)加载本地磁盘等驱动程序来挂载磁盘中的root文件系统。RAM盘中是个完整的小型linux环境，在没有磁盘的嵌入式环境中，initrd可以是最终的根文件系统，也可以通过NFS来挂载最终的文件系统。linux kernel(及initrd函数)引导；负责加载并解压zImage/bzImage kernel及initrd映像，并开始执行kernel初使化和引导程序/过程。init进程。用于启动linux配置的各项用户空间服务(demon)进程。加电后首先被执行的是BIOS(Base input/output system)程序。嵌入式环境使用boot monitor，它负责在一个位于rom/flash中预定地址开始执行引导程序，而在PC环境中这个启动地址是0xFFFF0，相对来讲BIOS提供了更多的配置功能。它主要由两部分组成：POST(Power On Self Test)程序；其负责接通电源时对硬件检测，包括创建中断向量、设置寄存器、对一些外部设备进行初始化和检测等。BIOS Runtime服务；负责为操作系统提供一些基础服务，主要与IO外设有关。当BIOS POST执行完后，其将会从内存中清理，而Runtime服务会常驻内存，为操作系统提供一些底层的支持。最后BIOS将控制权交给称为第一阶段引导程序的MBR(Master boot record)程序。接下来执行的MBR是一个512 byte固定大小的映像。包括446 byte长的被称为初始程序加裁程序(Initial program loader,IPL)的可执行代码和64 byte分区表(16 byte*4个)，最后以0xaa55特殊字节结束。如下图所示。MBR引导程序会将扫描分区表，获得唯一活动分区后，将其中的引导程序读入RAM并开始执行。MBR启动的引导程序被称为第二阶段引导程序，它是引导的主体，是引导加载的真正部分。Linux中该阶段有两个流行的程序，LILO(较老)和GRUB。如果安装了lilo程序，可以通过root用户执行如下命令来通过lilo生成默认配置的MBR，并写入到启动磁盘0柱面1扇区位置上。Shell代码#/sbin/lilo-v-v#/sbin/lilo-v-v一般需要修改lilo的配置文件，使生成的MBR有效。位于/etc/lilo.conf。lilo配置示例。Config代码boot=/dev/hdamap=/boot/mapinstall=/boot/boot.bprompttimeout=100compactdefault=Linuximage=/boot/vmlinuz-2.4.18-14label=Linuxroot=/dev/hdb3read-onlypassword=linuxother=/dev/hdalabel=WindowsXPboot=/dev/hdamap=/boot/mapinstall=/boot/boot.bprompttimeout=100compactdefault=Linuximage=/boot/vmlinuz-2.4.18-14 label=Linux root=/dev/hdb3 read-only password=linuxother=/dev/hda label=WindowsXP boot键指定了lilo在哪里安装MBR。可以通过替换boot=/dev/fd0配置来指定lilo创建有引导记录的软盘。LILO天生存在一些缺点和不足，因此linux在新版本中引入了GRUB程序。它为了从磁盘来加裁配置和kernel映像，不像LILO只能从裸扇区中执行引导程序，而具有了访问磁盘文件系统(ext2/3、reiserfs、jfs、fat等)的能力。GRUB是通过引入所谓1.5阶段的引导加载程序来实现这项功能的，在该阶段中，GRUB主要来加载特殊的文件系统驱动。此后，阶段2的引导加载程序就可以进行加载了。一般GRUB有一个不错的GUI界面，其中通过分析配置文件来显示了一此引导选项。在我的ubuntu 8.10系统中，该配置文件位于/boot/grub/menu.lst。我们可以选择内核甚至修改附加内核参数，甚至可以使用GRUB shell对引导过程进行高级手工控制。我的menu.lst文件内容如下。Config代码default 0timeout 3hiddenmenutitle Ubuntu 8.10,kernel 2.6.27-11-genericuuid e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4kernel/boot/vmlinuz-2.6.27-11-generic root=UUID=e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4 ro locale=zh_CN quiet splashinitrd/boot/initrd.img-2.6.27-11-genericquiettitle Ubuntu 8.10,kernel 2.6.27-11-generic(recovery mode)uuid e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4kernel/boot/vmlinuz-2.6.27-11-generic root=UUID=e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4 ro locale=zh_CN singleinitrd/boot/initrd.img-2.6.27-11-generictitle Ubuntu 8.10,kernel 2.6.27-7-genericuuid e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4kernel/boot/vmlinuz-2.6.27-7-generic root=UUID=e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4 ro locale=zh_CN quiet splashinitrd/boot/initrd.img-2.6.27-7-genericquiettitle Ubuntu 8.10,kernel 2.6.27-7-generic(recovery mode)uuid e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4kernel/boot/vmlinuz-2.6.27-7-generic root=UUID=e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4 ro locale=zh_CN singleinitrd/boot/initrd.img-2.6.27-7-generict itle Ubuntu 8.10,memtest86+uuid e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4kernel/boot/memtest86+.binquietdefault 0timeout 3hiddenmenutitle Ubuntu 8.10,kernel 2.6.27-11-genericuuid e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4kernel/boot/vmlinuz-2.6.27-11-generic root=UUID=e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4 ro locale=zh_CN quiet splash initrd/boot/initrd.img-2.6.27-11-genericquiettitle Ubuntu 8.10,kernel 2.6.27-11-generic(recovery mode)uuid e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4kernel/boot/vmlinuz-2.6.27-11-generic root=UUID=e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4 ro locale=zh_CN singleinitrd/boot/initrd.img-2.6.27-11-generictitle Ubuntu 8.10,kernel 2.6.27-7-genericuuid e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4kernel/boot/vmlinuz-2.6.27-7-generic root=UUID=e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4 ro locale=zh_CN quiet splash initrd/boot/initrd.img-2.6.27-7-genericquiettitle Ubuntu 8.10,kernel 2.6.27-7-generic(recovery mode)uuid e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4kernel/boot/vmlinuz-2.6.27-7-generic root=UUID=e2cf53c5-11d e-4d57-a532-878901afd9b4 ro locale=zh_CN singleinitrd/boot/initrd.img-2.6.27-7-generictitle Ubuntu 8.10,memtest86+uuid e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4kernel/boot/memtest86+.binquiet将第二阶段的引导加载程序加载到内存中之后，就可以对文件系统进行查询了，并将默认的内核映像和initrd映像加载到内存中。当这些映像文件准备好之后，阶段2的引导加载程序就可以调用内核映像。正如上面配置文件描述的那样，我的ubuntu启动会将加载/boot/vmlinuz-2.6.27-11-generic(zImage/bzImage格式的kernel映像)和/boot/initrd.img-2.6.27-11-generic(cpio格式的initrd映像)。接下来就是kernel引导加载过程，这个过程包括如下6步。执行一个对硬件做些基本设置的例程；(,/arch/i386/boot/head.S中的start例程)设置一个基本的环境(堆栈等)，并清除Block Started by Symbol(BSS)；(./arch/i386/boot/compressed/head.S中的startup_32例程)通过连接在映像中的函数来解压内核；(./arch/i386/boot/compressed/misc.c中的decompress_kernel C函数)启动swapper(0进程)进程，初始化页表，启用CPU内存分页。然后会为任何可选的浮点单元(FPU)检测CPU的类型，并将其存储起来供以后使用；(./arch/i386/kernel/head.S中的startup_32函数)调用linux kernl main函数，进入与体系结构无关的Linux内核部分。(init/main.c中的start_kernel函数)这会调用一系列初始化函数来设置中断，执行进一步的内存配置，并加载已初始化的RAM盘。最后启动init进程，这是第一个用户空间进程(user-space process)；(./arch/i386/kernel/process.c中的kernel_thread)最后，启动空任务。现在调度器就可以接管控制权了(在调用cpu_idle之后)。通过启用中断，抢占式的调度器就可以周期性地接管控制权，从而提供多任务处理能力。上面第5步加载的RAM盘(initrd)是由阶段2引导加载程序加载到内存中的，它用来加载必要的磁盘驱动内核模块，来挂载真正磁盘的root文件系统。引导加载的最后的一步就是执行init(1进程)，该进程会根据配置来启动服务。一般的配置都会写在inittab里，不过我这里用的ubuntu使用的是upstart，它是基于事件驱动的，发生什么event怎么处理，在这里init进程会产生startup event，upstart据此来启动rc.*配置的进程。不过无论如何，此时引导加载程序已经放权了。这里抄录一段LILO与GURB的优缺点对比。LILO没有交互式命令界面，而GRUB拥有。LILO不支持网络引导，而GRUB支持。LILO将关于可以引导的操作系统位置的信息物理上存储在MBR中。如果修改了LILO配置文件，必须将LILO第一阶段引导加载程序重写到MBR。相对于GRUB，这是一个更为危险的选择，因为错误配置的MBR可能会让系统无法引导。使用GRUB，如果配置文件配置错误，则只是默认转到GRUB命令行界面。关于kernel和initrd两个映像。技术含量很高的，嵌入式开发中bootloader可是很大一块。值得深入，只可惜现在的技术水平，哎kernel/boot/vmlinuz-2.6.27-7-genericinitrd/boot/initrd.img-2.6.27-7-generic initrd映像是打包的RAM盘根文件系统。一般initrd.img-2.6.27-7-generic是一个cpio包文件，老版本也有gzip压缩格式的。通过cpio命令将其解包到当前目录中，如下。cpio使用方法可参见cpio命令详解。Shell代码zcat initrd.img-2.6.27-11-generic|cpio-i-d-no-absolute-filenameszcat initrd.img-2.6.27-11-generic|cpio-i-d-no-absolute-filenames在我这里解包后的根文件系统包括如下内容。从上面的directory tree可以看到initrd中主要包括的就是磁盘、网络、文件系统的驱动lkm文件。其中还有最主要是的init shell脚本，它包括了初使化的全过程。Shell代码#！/bin/shechoLoading,please wait.-d/dev|mkdir-m 0755/dev-d/root|mkdir-m 0700/root-d/sys|mkdir/sys-d/proc|mkdir/proc-d/tmp|mkdir/tmpmkdir-p/var/lockmount-t sysfs-o nodev,noexec,nosuid none/sysmount-t proc-o nodev,noexec,nosuid none/proc#Note that this only becomes/dev on the real filesystem if udevs scripts#are used；which they will be,but its worth pointing outmount-t tmpfs-o mode=0755 udev/dev-e/dev/console|mknod-m 0600/dev/console c5 1-e/dev/null|mknod/dev/null c1 3/dev/.initramfs-toolsmkdir/dev/.initramfs#Export the dpkg architectureexport DPKG_ARCH=./conf/arch.conf#Set modprobe envexport MODPROBE_OPTIONS=-Qb#Export relevant variablesexport ROOT=export ROOTDELAY=export ROOTFLAGS=export ROOTFSTYPE=export break=export init=/sbin/initexport quiet=nexport readonly=yexport rootmnt=/rootexport debug=export panic=export blacklist=export resume_offset=#Bring in the main config./conf/initramfs.conffor conf in conf/conf.d/*；do-f$conf&.$confdone./scripts/functions#Parse command line optionsfor xin$(cat/proc/cmdline)；docase$x ininit=*)init=$x#init=；root=*)ROOT=$x#root=case$ROOT inLABEL=*)ROOT=/dev/disk/by-label/$ROOT#LABEL=；UUID=*)ROOT=/dev/disk/by-uuid/$ROOT#UUID=；/dev/nfs)-z$BOOT&BOOT=nfs；esac；rootflags=*)ROOTFLAGS=-o$x#rootflags=；rootfstype=*)ROOTFSTYPE=$x#rootfstype=；rootdelay=*)ROOTDELAY=$x#rootdelay=case$ROOTDELAYin*！：digit：.*)ROOTDELAY=；esac；resumedelay=*)RESUMEDELAY=$x#resumedelay=；loop=*)LOOP=$x#loop=；loopflags=*)LOOPFLAGS=-o$x#loopflags=；loopfstype=*)LOOPFSTYPE=$x#loopfstype=；cryptopts=*)cryptopts=$x#cryptopts=；nfsroot=*)NFSROOT=$x#nfsroot=；netboot=*)NETBOOT=$x#netboot=；ip=*)IPOPTS=$x#ip=；boot=*)BOOT=$x#boot=；resume=*)RESUME=$x#resume=；resume_offset=*)resume_offset=$x#resume_offset=；noresume)noresume=y；panic=*)panic=$x#panic=case$panicin*！：digit：.*)panic=；esac；quiet)quiet=y；ro)readonly=y；rw)readonly=n；debug)debug=yquiet=nexec/tmp/initramfs.debug 2&1set-x；debug=*)debug=yquiet=nset-x；break=*)break=$x#break=；break)break=premount；blacklist=*)blacklist=$x#blacklist=；esacdoneif-z$noresume；thenexport resume=$RESUMEelseexport noresumefidepmod-amaybe_break top#export BOOT variable value for compcache,#so we know if we run from casperexport BOOT#Dont do log messages here to avoid confusing usplashrun_scripts/scripts/init-topmaybe_break moduleslog_begin_msgLoading essential drivers.load_moduleslog_end_msgmaybe_break premount$quiet！=y&log_begin_msgRunning/scripts/init-premountrun_scripts/scripts/init-premount$quiet！=y&log_end_msgmaybe_break mountlog_begin_msgMounting root file system./scripts/$BOOTparse_numeric$ROOTmountrootlog_end_msgmaybe_break bottom$quiet！=y&log_begin_msgRunning/scripts/init-bottomrun_scripts/scripts/init-bottom$quiet！=y&log_end_msg#Move virtual filesystems over to the real filesystemmount-n-o move/sys$rootmnt/sysmount-n-o move/proc$rootmnt/proc#Check init bootargif-n$init&！-x$rootmnt$init；thenechoTarget filesystem doesnt have$init.init=fi#Search for valid initif-z$init；thenfor init in/sbin/init/etc/init/bin/init/bin/sh；doif！-x$rootmnt$init；thencontinuefibreakdonefi#No init on rootmountif！-x$rootmnt$init；thenpanicNo init found.Try passing init=bootarg.fi#Confuses/etc/init.d/rcif-n$debug；thenunset debugfi#Chain to real filesystemmaybe_break initexec run-init$rootmnt$init$rootmnt/dev/console$rootmnt/dev/console 2&1panicCould not execute run-init.#！/bin/shechoLoading,please wait.-d/dev|mkdir-m 0755/dev-d/root|mkdir-m 0700/root-d/sys|mkdir/sys-d/proc|mkdir/proc-d/tmp|mkdir/tmpmkdir-p/var/lockmount-t sysfs-o nodev,noexec,nosuid none/sys mount-t proc-o nodev,noexec,nosuid none/proc#Note that this only becomes/dev on the real filesystem if udevs scripts#are used；which they will be,but its worth pointing outmount-t tmpfs-o mode=0755 udev/dev-e/dev/console|mknod-m 0600/dev/console c5 1-e/dev/null|mknod/dev/null c1 3/dev/.initramfs-toolsmkdir/dev/.initramfs#Export the dpkg architectureexport DPKG_ARCH=./conf/arch.conf#Set modprobe envexport MODPROBE_OPTIONS=-Qb#Export relevant variablesexport ROOT=export ROOTDELAY=export ROOTFLAGS=export ROOTFSTYPE=export break=export init=/sbin/initexport quiet=nexport readonly=yexport rootmnt=/rootexport debug=export panic=export blacklist=export resume_offset=#Bring in the main config./conf/initramfs.conffor conf in conf/conf.d/*；do-f$conf&.$confdone./scripts/functions#Parse command line optionsfor xin$(cat/proc/cmdline)；do case$x in init=*)init=$x#init=；root=*)ROOT=$x#root=case$ROOT in LABEL=*)ROOT=/dev/disk/by-label/$ROOT#LABEL=；UUID=*)ROOT=/dev/disk/by-uuid/$ROOT#UUID=；/dev/nfs)-z$BOOT&BOOT=nfs；esac；rootflags=*)ROOTFLAGS=-o$x#rootflags=；rootfstype=*)ROOTFSTYPE=$x#rootfstype=；rootdelay=*)ROOTDELAY=$x#rootdelay=case$ROOTDELAYin*！：digit：.*)ROOTDELAY=；esac；resumedelay=*)RESUMEDELAY=$x#resumedelay=；loop=*)LOOP=$x#loop=；loopflags=*)LOOPFLAGS=-o$x#loopflags=；loopfstype=*)LOOPFSTYPE=$x#loopfstype=；cryptopts=*)cryptopts=$x#cryptopts=；nfsroot=*)NFSROOT=$x#nfsroot=；netboot=*)NETBOOT=$x#netboot=；ip=*)IPOPTS=$x#ip=；boot=*)BOOT=$x#boot=；resume=*)RESUME=$x#resume=；resume_offset=*)resume_offset=$x#resume_offset=；noresume)noresume=y；panic=*)panic=$x#panic=case$panicin*！：digit：.*)panic=；esac；quiet)quiet=y；ro)readonly=y；rw)readonly=n；debug)debug=y quiet=n exec/tmp/initramfs.debug 2&1 set-x；debug=*)debug=y quiet=n set-x；break=*)break=$x#break=；break)break=premount；blacklist=*)blacklist=$x#blacklist=；esacdoneif-z$noresume；then export resume=$RESUMEelse export noresumefidepmod-amaybe_break top#export BOOT variable value for compcache,#so we know if we run from casperexport BOOT#Dont do log messages here to avoid confusing usplashrun_scripts/scripts/init-topmaybe_break moduleslog_begin_msgLoading essential drivers.load_moduleslog_end_msgmaybe_break premount$quiet！=y&log_begin_msgRunning/scripts/init-premountrun_scripts/scripts/init-premount$quiet！=y&log_end_msgmaybe_