揭秘Linux启动的层层面纱,一文看懂从黑屏到界面的精彩之旅

2024-06-04 23:12
文章标签 linux 启动 界面 一文 揭秘 层层 面纱 黑屏 之旅 精彩

本文主要是介绍揭秘Linux启动的层层面纱,一文看懂从黑屏到界面的精彩之旅，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！


从按下开机键到Linux系统界面显示，这中间究竟经历了怎样的过程?本文将为您一一揭开Linux启动的神秘面纱，详细剖析每个环节的工作原理，让你从内核出生到系统服务启动，一路见证这个过程的壮阔与精彩。


一、概述

Linux系统的启动过程大致可以分为以下几个阶段:

  1. 上电自检(POST)
  2. 基础输入输出系统(BIOS)
  3. 主引导记录(MBR)和引导加载程序(GRUB)
  4. 加载内核(Kernel)
  5. 初始化init进程
  6. 启动运行级别(Runlevel)

接下来，我们就一起走进每个阶段，深入探索其中的奥秘。


在这里插入图片描述


二、上电自检(POST)

上电后，首先是上电自检(Power-On Self-Test，POST)环节，主要工作是检查计算机硬件是否正常。

POST由主板上的BIOS芯片中的指令完成，它会逐一检查系统中的硬件设备，包括CPU、内存、硬盘等。

POST 工作流程如下：

  • 当计算机加电时，BIOS 会首先进行加电自检 (POST)，检查计算机硬件是否正常工作，例如 CPU、内存、硬盘等。
  • 如果硬件检测失败，BIOS 会发出警报或显示错误信息。
  • 如果硬件检测成功，BIOS 会继续执行启动过程。

三、基础输入输出系统(BIOS)

BIOS 是英文 Basic Input/Output System 的缩写，中文意思是基本输入输出系统。它是一段固化到计算机主板上的程序， 它负责管理计算机最基本的硬件设备，例如键盘、鼠标、显示器、硬盘等，并引导操作系统，提供系统设置选项，负责管理电源 。

1、BIOS 的功能和作用

  • 硬件检测和初始化，确保计算机硬件正常工作

    在计算机启动时，BIOS 会检测并初始化所有连接到主板的硬件设备，例如键盘、鼠标、显示器、硬盘等，确保这些设备能够正常工作。

  • 引导操作系统

    BIOS 会从硬盘或其他启动设备中加载操作系统内核，并将其传递给操作系统进行启动。

  • 提供系统设置选项

    BIOS 提供一些系统设置选项，例如启动顺序、日期和时间、硬件配置等，方便用户进行系统配置。

  • 管理电源

    BIOS 可以控制计算机的电源状态，例如开机、关机、休眠等，方便用户进行电源管理。


2、 BIOS 的类型

  • 传统 BIOS： 传统 BIOS 是使用 16 位代码编写的，它只支持 16 位 CPU 和 1MB 以下的内存。

  • UEFI BIOS： UEFI BIOS 是使用 32 位或 64 位代码编写的，它支持 32 位或 64 位 CPU 和更大的内存。


3、BIOS 的工作流程

Step1， 加电自检 (POST)过程

BIOS 系统存储于主板的ROM芯片上，计算机在开机时，会最先读取该系统，然后会有一个加电自检过程(按下电源开关后，BIOS检查设备，可以听到“滴”的一声就说明设备正常)，这个过程其实就是检查CPU和内存，计算机最基本的组成单元(控制器、运算器和存储器)。


Step2， 加载 MBR

BIOS还有一个主要的功能就是存储了磁盘的启动顺序，BIOS会按照启动顺序去查找第一个磁盘头的MBR信息，并加载和执行MBR中的Bootloader程序，若第一个磁盘不存在MBR，则会继续查找第二个磁盘，一旦BootLoader程序被检测并加载内存中，BIOS就将控制权交接给了BootLoader程序。


四、主引导记录(MBR)和引导加载程序(GRUB)


1、MBR

MBR(Master Boot Record) 是主引导记录，是硬盘的第一个扇区，里面存储着少量启动代码和分区表信息。每个可启动的操作系统都需要在MBR或分区表中留有相应的引导代码。

MBR存储于磁盘的头部(它指的是硬盘的第一个扇区)，大小为512bytes。

  • Boot Loader ，占用446字节，存储有操作系统（OS）相关信息，如操作系统名称，操作系统内核位置等，它的主要功能是加载内核到内存中运行。
  • Partition Table 分区表，占用64字节，每个主分区占用16字节（这就是为啥一块硬盘只能有4个主分区）
  • 分区表有效性标记占用2字节 (“55，AA”是分区表结束的标志)

在这里插入图片描述

对于Linux系统，MBR中的代码将会加载并运行GRUB(GRand Unified Bootloader)引导加载程序。GRUB提供了一个菜单，可以选择要启动的操作系统或内核版本。选择后，它会加载指定的内核映像到内存。


可以查阅GRUB的源码了解其工作原理:

// grub-core/kern/main.c
int main()
{/* 初始化GRUB环境 */grub_init_all();/* 显示GRUB菜单 */grub_menu_show_entry_sequence();/* 选择内核映像并加载到内存 */grub_linux_boot();
}

2、Boot Loader

Boot Loader，中文翻译为引导加载程序，是计算机启动过程中必不可少的程序，它很小但非常重要，负责将操作系统内核加载到内存中，并启动操作系统。


（1）、 Boot Loader 的功能

  • 加载操作系统内核到内存中

  • 启动操作系统

  • 提供一些系统设置选项

  • 管理启动过程


（2）、Boot Loader 的类型

  • 主引导记录 (MBR)： MBR 是存储在硬盘第一个扇区上的引导程序，它负责加载第一个操作系统的引导扇区。

  • 引导扇区： 引导扇区是存储在每个分区上的引导程序，它负责加载操作系统的内核。

  • GRUB： GRUB 是一个通用的引导加载程序，它支持多种操作系统，例如 Linux、Windows、FreeBSD 等。

  • LILO： LILO 是另一个通用的引导加载程序，它主要用于 Linux 操作系统。


（3）、Boot Loader 的工作流程

  • 当计算机加电时，BIOS 会首先读取硬盘第一个扇区上的 MBR。

  • MBR 会加载第一个操作系统的引导扇区到内存中。

  • 引导扇区会加载操作系统的内核到内存中。

  • 操作系统内核会启动操作系统。


3、GRUB

GRUB (GRand Unified Bootloader) 是一个通用的引导加载程序，它支持多种操作系统，例如 Linux、Windows、FreeBSD 等。 GRUB 是目前最流行的引导加载程序之一，它被广泛应用于各种 Linux 发行版中。


（1）、GRUB 的功能

  • 加载操作系统内核到内存中

  • 启动操作系统

  • 提供一些系统设置选项

  • 管理启动过程

  • 支持多种操作系统

  • 支持多种文件系统

  • 支持多种硬件平台


（2）、GRUB 的工作流程

  • 当计算机加电时，BIOS 会首先读取硬盘第一个扇区上的 MBR。

  • MBR 会加载 GRUB 的第一个阶段到内存中。

  • GRUB 的第一个阶段会加载 GRUB 的第二个阶段到内存中。

  • GRUB 的第二个阶段会显示启动菜单，允许用户选择要启动的操作系统。

  • 用户选择要启动的操作系统后，GRUB 会加载该操作系统的内核到内存中。

  • 操作系统内核会启动操作系统。


（3）、GRUB 的配置

GRUB 的配置可以通过编辑配置文件进行。配置文件通常位于 /boot/grub/grub.cfg 文件中。

grub.conf：#boot=/dev/sda  default=0        #设定默认启动的title的编号，从0开始  timeout=5       #等待用户选择的超时时间  splashimage=(hd0,0)/boot/grub/splash.xpm.gz    #GRUB的背景图片  hiddenmenu     #隐藏菜单  title CentOS (2.6.18-194.el5PAE)      #内核标题  root (hd0,0)         #内核文件所在的设备  kernel /vmlinuz-2.6.18-194.el5PAE ro root=LABEL=/     #内核文件路径以及传递给内核的参数  initrd /initrd-2.6.18-194.el5PAE.img                            #ramdisk文件路径

在/boot/grub/grub.conf中可以看到：

  • root (hd0，0) 这一行实际上是指定了/目录的所在的位置，但这个根并不是真正的根，而是/所在的位置，可以理解成/boot是处在（hd0，0)/boot，而这里的（hd0，0)指的是第一个磁盘的第一个分区。

  • GRUB不是通过文件系统来访问内核的，因为此时内核还没有启动，不存在文件系统，而是直接访问 第一个磁盘的第一个分区（通过MBR中的分区表来识别分区），而识别MBR中的分区的文件系统，则是由GRUB通过加载自身携带的系统文件来实现的，这些文件在/boot/grub目录中。

在这里插入图片描述


五、加载内核(Kernel)

内核是操作系统中最核心的部分，它负责管理计算机的硬件资源，为上层应用程序提供支持和服务。

在Linux系统中，内核是压缩后的vmlinuz文件，GRUB会将其加载并解压到内存中。内核启动后，会进行一系列的初始化操作，如探测硬件资源、设置终端、挂载根文件系统等。

// linux-x.x.x/init/main.c
int __init start_kernel()
{/* 初始化各种子系统,如体系结构、内存管理、调度器等 */setup_arch(&command_line);setup_memory();scheduler_init();....../* 挂载根文件系统 */prepare_namespace();/* 启动init程序 */kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);return 0;
}

Kernel 内核是 Linux 操作系统最主要的程序，它负责管理系统资源和运行应用程序。 内核是操作系统的心脏，它控制着所有硬件和软件的交互。


（1）、 Kernel的功能

  • 进程管理： 内核负责创建、调度和终止进程。

  • 内存管理： 内核负责分配和管理内存。

  • 文件系统管理： 内核负责管理文件系统，例如创建、删除和访问文件。

  • 设备驱动程序： 内核负责管理设备驱动程序，以便操作系统能够使用硬件设备。

  • 网络管理： 内核负责管理网络连接，例如发送和接收数据包。

  • 安全： 内核负责保护系统免受安全威胁，例如病毒和黑客攻击。


（2）、 Kernel的结构

Linux 内核是一个单内核系统，这意味着它只有一个内核。

内核由以下几个主要部分组成：

  • 内核核心： 内核核心是内核最核心的部分，它负责管理系统资源和运行应用程序。
  • 设备驱动程序： 设备驱动程序负责管理硬件设备，以便操作系统能够使用硬件设备。
  • 文件系统： 文件系统负责管理文件，例如创建、删除和访问文件。
  • 网络协议栈： 网络协议栈负责管理网络连接，例如发送和接收数据包。

（3）、 Kernel工作流程

  • Kernel的文件很小，只保留了最基本的模块，并以压缩的文件形式存储在硬盘中，当GRUB将Kernel读进内存，内存开始解压缩内核文件。

  • 内核启动，在stage2这个步骤时，就将initrd(Initial RAM Disk) 文件拷贝到了内存中，这个文件是在安装系统时产生的，是一个临时的根文件系统(rootfs)。 initrd这个文件，装载了必要的驱动模块，当Kernel启动时，可以从initrd文件中装载驱动模块，直到挂载真正的rootfs，然后将initrd从内存中移除。

  • Kernel会以只读方式挂载根文件系统，当根文件系统被挂载后，开始装载第一个进程(用户空间的进程)，执行/sbin/init，之后就将控制权交接给了init程序。


六、初始化init进程

内核启动后，会执行/sbin/init程序，该程序是所有其他进程的祖先进程。

Init 是 Linux 系统中最古老的进程，它的 PID 始终为 1。

Init进程会根据运行级别(runlevel)来决定启动哪些程序。

在大多数Linux发行版中，init程序是systemd，负责启动和管理整个系统。你可以在源码systemd/src/core/main.c中看到它的入口:

// systemd/src/core/main.c 
int main() {....../* 初始化systemd管理器 */  r = manager_init();....../* 启动监控循环,运行系统服务 */r = manager_run(m);......
}

内核并加载进内存运行并以读写方式挂载完根文件系统后，执行第一个用户进程init，init首先运行/etc/init/rcS.conf脚本，如下图：
在这里插入图片描述


上图可以看到，init进程通过执行/etc/rc.d/rcS.conf首先调用了/etc/rc.d/rc.sysinit，对系统做初始化设置，这是真正的OS初始化脚本。

在这里插入图片描述


事实上init执行/etc/rc.d/rc.sysinit的初始化将会做很多设置：

1、获得网络环境
2、挂载设备
3、开机启动画面Plymouth（取替了过往的 RHGB）
4、判断是否启用SELinux
5、显示于开机过程中的欢迎画面
6、初始化硬件
7、用户自定义模块的加载
8、配置内核的参数
9、设置主机名
10、同步存储器
11、设备映射器及相关的初始化
12、初始化软件磁盘阵列（RAID）
13、初始化 LVM 的文件系统功能
14、检验磁盘文件系统（fsck）
15、设置磁盘配额(quota)
16、重新以可读写模式挂载系统磁盘
17、更新quota（非必要）
18、启动系统虚拟随机数生成器
19、配置机器（非必要）
20、清除开机过程当中的临时文件
21、创建ICE目录
22、启动交换分区（swap）
23、将开机信息写入/var/log/dmesg文件中

init执行完/etc/rc.d/rc.sysinit后，将会执行/etc/inittab来设定系统运行的默认级别：
在这里插入图片描述


七、启动运行级别(Runlevel)


Runlevel 是 Linux 系统中的一种概念，它表示系统的运行级别。

每个运行级别都定义了一组特定的系统服务和应用程序。

例如，运行级别 0 表示关机状态，运行级别 1 表示单用户模式，运行级别 2 表示多用户模式，运行级别 3 表示图形界面模式，运行级别 5 表示图形界面模式并启动 X Window System。


（1）、 Runlevel 的类型

  • 运行级别 0： 关机状态

  • 运行级别 1： 单用户模式

  • 运行级别 2： 多用户模式，没有图形界面

  • 运行级别 3： 多用户模式，有图形界面

  • 运行级别 4： 未使用

  • 运行级别 5： 多用户模式，有图形界面并启动 X Window System

  • 运行级别 6： 重启


（2）、Runlevel 的配置

Runlevel 的配置通常位于 /etc/inittab 文件中。 在 /etc/inittab 文件中，可以使用 id 字段指定默认的运行级别。 例如，以下代码指定默认运行级别为 3：

id:3:initdefault:

（3）、Runlevel 的切换

可以使用 init 命令切换运行级别。 例如，以下命令将系统切换到运行级别 1：

init 1

（4）、Runlevel 的作用

Runlevel 用于控制系统的运行状态。 例如，可以在系统启动时指定默认的运行级别，或者在需要进行系统维护时切换到单用户模式。

在systemd中，运行级别的概念已被target取代，通过target可以灵活地启动任意的程序。


八、总结

通过上述分析，我们从整体上把握了Linux系统启动的全过程。每个环节都扮演着至关重要的角色，缺一不可。Linux启动之所以如此复杂，是为了保证系统的稳定性和高效性。如果你有独特的见解和想法，欢迎在评论区与我分享交流。

这篇关于揭秘Linux启动的层层面纱,一文看懂从黑屏到界面的精彩之旅的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1031393。

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