linux命令启动ckm,linux基础命令介绍十三：启动流程

作者：33今夜无眠44 | 来源：互联网 | 2023-07-13 15:49

固件(firmware)是指设备最底层的，让设备得以运行的程序代码。简单理解就是：固定在硬件上的软件。计算机中的许多设备都拥有固件(如硬盘、鼠标、光驱、

固件(firmware)是指设备最底层的&＃xff0c;让设备得以运行的程序代码。简单理解就是&＃xff1a;固定在硬件上的软件。计算机中的许多设备都拥有固件(如硬盘、鼠标、光驱、U盘等)&＃xff0c;在计算机启动过程中&＃xff0c;最先读取的就是位于主板上的固件&＃xff0c;这个固件当前有两种类型&＃xff1a;传统的BIOS和新的通用性更强的UEFI。

在上一篇中&＃xff0c;我们提到另一种磁盘分区格式GTP也是UEFI标准的一部分。于是&＃xff0c;当前计算机启动中&＃xff0c;出现了两种不同的方式&＃xff1a;BIOS/MBR和UEFI/GTP。

在linux操作系统的世界中&＃xff0c;同样在经历着变革&＃xff0c;系统初始化软件sysvinit正逐渐被systemd取代。

本文将主要讲述传统的BIOS/MBR-->sysvinit启动方式&＃xff0c;同时&＃xff0c;作为补充&＃xff0c;也将简述UEFI/GTP-->systemd的启动方式。

BIOS/MBR-->sysvinit

1、BIOS阶段

系统加电后会立即读取BIOS中内容并执行&＃xff0c;BIOS中程序的执行包括两个步骤&＃xff1a;

1)加电自检POST(power-on self test)&＃xff0c;主要负责检测系统外围设备(如CPU、内存、显卡、键盘鼠标等)是否正常。如果硬件出现问题&＃xff0c;主板会发出不同含义的蜂鸣声&＃xff0c;启动终止。如果没有问题&＃xff0c;屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。

2)自检完成后&＃xff0c;BIOS会执行一段程序来枚举本地设备(如光盘、U盘、硬盘、网络等&＃xff0c;可以在BIOS中设置枚举顺序)寻找下一阶段的启动程序所在位置。BIOS会将控制权交给启动顺序(Boot Sequence)中排在第一位的设备&＃xff0c;此时&＃xff0c;计算机读取该设备中的最前面的512个字节&＃xff0c;如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA(Magic Number)&＃xff0c;表明这个设备可以用于启动&＃xff1b;如果不是&＃xff0c;表明该设备不能用于启动&＃xff0c;控制权于是转交给启动顺序中的下一个设备。如上一篇所述&＃xff0c;硬盘中的最前面的512字节即为主引导记录 MBR。

2、MBR阶段

前一篇中我们描述过MBR的结构&＃xff0c;其中包括446字节的Bootloader&＃xff0c;64字节的DPT和2字节的Magic Number。

Bootloader(引导加载程序)中较常用的一种是grub&＃xff0c;grub引导分为两个阶段(有些grub还定义了1.5阶段)&＃xff1a;

1)BIOS将stage1载入内存中的指定位置(0x7C00)并跳转执行&＃xff0c;stage1的内容即为MBR中起始的446字节&＃xff1b;此阶段执行作用主要是将硬盘0磁头0磁道2扇区的内容载入到内存0x8000处并跳转执行。

1.5)由于stage2的代码(较大)存放在文件系统下的/boot分区中(或者/boot没有单独分区的/etc/)&＃xff0c;因此识别stage2文件需要文件系统环境(此时还只能直接读取硬盘指定位置的内容&＃xff0c;并不能识别文件系统)。stage1.5的作用就是为stage2提供文件系统环境&＃xff0c;使系统能够找到位于文件系统中的stage2文件。

2)stage2被载入内存并执行&＃xff0c;它首先会解析grub的配置文件menu.lst即/boot/grub/grub.conf&＃xff0c;该文件中指定了系统内核文件所处的位置&＃xff0c;如果没有找到该文件&＃xff0c;就会执行一个shell&＃xff0c;等待用户手动指定内核文件的位置。此阶段的最终状态就是执行boot命令&＃xff0c;将内核和initrd镜像载入内存&＃xff0c;进而将控制权交给内核。

grub.conf内容(版本&＃xff1a;GNU GRUB 0.97)&＃xff1a;

# grub.conf generated by anaconda

# Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file

# NOTICE: You have a /boot partition. This means that

# all kernel and initrd paths are relative to /boot/, eg.

# root (hd0,0)

# kernel /vmlinuz-version ro root&＃61;/dev/sda3

# initrd /initrd-version.img

#boot&＃61;/dev/sda

default&＃61;0

timeout&＃61;5

splashimage&＃61;(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz

hiddenmenu

title CentOS (2.6.18-407.el5)

root (hd0,0)

kernel /vmlinuz-2.6.18-407.el5 ro root&＃61;LABEL&＃61;/ rhgb quiet

initrd /initrd-2.6.18-407.el5.img

title CentOS (2.6.18-398.el5)

root (hd0,0)

kernel /vmlinuz-2.6.18-398.el5 ro root&＃61;LABEL&＃61;/ rhgb quiet

initrd /initrd-2.6.18-398.el5.img

文件中#开头的行是注释行&＃xff0c;最重要的部分是两个title下面指定的内核位置及具体文件(kernel和initrd项)

3、内核阶段

grub的stage2将initrd文件加载到内存中&＃xff0c;内核于是开始执行initrd中的init文件&＃xff0c;此文件是一个脚本&＃xff0c;主要作用是加载各种存储介质相关的设备驱动程序。当所需的驱动程序加载完成后&＃xff0c;会创建一个根设备&＃xff0c;然后将根文件系统(rootfs)以只读的方式挂载。这一步结束后&＃xff0c;释放未使用的内存&＃xff0c;转换到真正的根文件系统中运行程序/sbin/init&＃xff0c;启动系统PID为1的进程。此后系统的控制权就交给/sbin/init进程了。

4、init阶段

当init进程接管了系统的控制权之后&＃xff0c;它首先会读取/etc/inittab文件&＃xff0c;此文件描述了在特定的运行级别(runlevel)下&＃xff0c;init进程该如何初始化系统。

linux中定义了7种运行级别&＃xff1a;

0 表示关机

1 表示单用户模式

2 表示无网络的多用户模式

3 表示多用户模式

4 未使用

5 表示图形界面模式

6 表示重启

inittab文件中指定了系统的默认运行级别&＃xff0c;如id:3:initdefault:表示默认运行级别为3(多用户模式)。

init进程根据inittab文件&＃xff0c;运行一系列指定的初始化脚本&＃xff1a;

1)/etc/rc.d/rc.sysinit系统初始化脚本&＃xff0c;它的作用包括设置主机名和默认网关、决定是否启用SELinux、加载用户自定义模块、根据文件/etc/sysctl.conf设置内核参数、设置raid及LVM等硬盘功能、重新以读写方式挂载根文件系统等等

2)执行/etc/rc.d/rc文件&＃xff0c;该文件确认由inittab指定的运行级别N&＃xff0c;并启动相应级别下的服务(通过执行/etc/rc.d/rcN.d中的文件)&＃xff0c;例如运行级别为3时&＃xff0c;则先执行/etc/rc.d/rc3.d下以K开头的文件&＃xff0c;然后执行以S开头的文件。这些文件都是指向/etc/init.d下的符号链接。以K开头的文件表示此运行级别下需要关闭的服务&＃xff0c;以S开头的文件表示此运行级别下需要开启的服务。

3)在运行级别2、3、4、5中最后一个执行的文件均指向文件/etc/rc.local,用户可以在此文件中自定义启动内容。

4)之后根据inittab中设置&＃xff0c;运行6个终端&＃xff0c;以便用户登录系统&＃xff0c;如果是运行级别5&＃xff0c;则还会执行/etc/X11/prefdm -nodaemon启动相应的桌面环境。

5)然后执行/bin/login程序用于接收和验证来自mingetty的用户名和密码。

至此整个系统即启动完毕了

UEFI/GTP-->systemd

UEFI的出现是为了代替BIOS&＃xff0c;同样&＃xff0c;GTP和systemd也是为了弥补MBR和sysvinit的不足。和BIOS只负责POST和找到MBR不同&＃xff0c;UEFI将贯穿系统加电到关机的整个过程。粗略划分&＃xff0c;UEFI系统启动分为4个阶段&＃xff1a;

1、UEFI初始化阶段

1)SEC(安全验证)&＃xff1a;接收并处理系统启动和重启信号&＃xff0c;初始化临时存储区域&＃xff0c;传递系统参数给下一阶段(即PEI)。

2)PEI(EFI前期初始化)&＃xff1a;为DXE准备执行环境&＃xff0c;将需要传递到DXE的信息组成HOB(Handoff Block)列表&＃xff0c;最终将控制权转交到DXE手中。

3)DXE(驱动执行环境)&＃xff1a;根据HOB列表初始化系统服务&＃xff0c;然后遍历固件中的所有Driver&＃xff0c;当驱动的依赖资源满足时&＃xff0c;调度Dirver到执行队列执行&＃xff0c;直到所有满足条件的Dirver都被加载。

2、操作系统加载器作为UEFI应用程序运行阶段

1)BDS(启动设备选择)&＃xff1a;初始化控制台设备&＃xff0c;加载必要的设备驱动&＃xff0c;根据系统设置加载和执行启动项&＃xff0c;用户选中某个启动项(或系统进入默认的启动项)后&＃xff0c;OS Loader启动&＃xff0c;系统进入TSL阶段。

UEFI中程序能够识别存储介质上的分区信息和文件系统(如&＃xff1a;fat32)&＃xff0c;此时会将/EFI/boot/grub2.efi(位于GTP格式硬盘的一个分区ESP&＃xff0c;安装时自动生成)作为UEFI应用程序运行。

2)TSL(临时系统加载)&＃xff1a;操作系统加载器(OS Loader也位于ESP分区)执行的第一阶段&＃xff0c;在这一阶段OS Loader作为一个UEFI应用程序运行&＃xff0c;系统资源仍然由UEFI内核控制。当启动服务的ExitBootServices()服务被调用后&＃xff0c;系统进入RT(Run Time)阶段。

3、操作系统运行阶段

RT(运行时)&＃xff1a;系统的控制权从UEFI内核转交到OS Loader手中&＃xff0c;UEFI占用的各种资源被回收到OS Loader&＃xff0c;仅有UEFI运行时服务保留给OS Loader和OS使用。随着OS Loader的执行&＃xff0c;OS最终取得对系统的控制权。

在init作为系统初始化程序时&＃xff0c;服务是通过/etc/rc.d/init.d中的脚本来管理并且是顺序执行的&＃xff0c;当使用systemd作为系统初始化程序后&＃xff0c;这些脚本被服务单元替换&＃xff0c;并尽可能的并行启动进程。

在systemd中&＃xff0c;一个单元配置文件可以描述如下内容之一&＃xff1a;

系统服务(.service)

挂载点(.mount)

套接字(.sockets)

系统设备(.device)

交换分区(.swap)

文件路径(.path)

启动目标(.target)

由systemd管理的计时器(.timer)

....

systemd为保持向下兼容性还保留了一些init命令和概念&＃xff0c;但所对应的文件都是指向systemd对应命令或文件的符号链接&＃xff1a;

[root&＃64;centos7 temp]# ls -l /sbin/init

lrwxrwxrwx. 1 root root 22 1月 15 2016 /sbin/init -> ../lib/systemd/systemd

[root&＃64;centos7 temp]# ls -l /usr/lib/systemd/system/runlevel*.target

lrwxrwxrwx. 1 root root 15 1月 15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel0.target -> poweroff.target

lrwxrwxrwx. 1 root root 13 1月 15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel1.target -> rescue.target

lrwxrwxrwx. 1 root root 17 1月 15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel2.target -> multi-user.target

lrwxrwxrwx. 1 root root 17 1月 15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel3.target -> multi-user.target

lrwxrwxrwx. 1 root root 17 1月 15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel4.target -> multi-user.target

lrwxrwxrwx. 1 root root 16 1月 15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel5.target -> graphical.target

lrwxrwxrwx. 1 root root 13 1月 15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel6.target -> reboot.target

systemd启动后执行的第一个目标是default.target&＃xff0c;但实际上default.target是指向graphical.target的符号链接。

[root&＃64;centos7 temp]# ls -l /usr/lib/systemd/system/default.target

lrwxrwxrwx. 1 root root 16 1月 15 2016 /usr/lib/systemd/system/default.target -> graphical.target

[root&＃64;centos7 temp]# cat /usr/lib/systemd/system/graphical.target

# This file is part of systemd.

# systemd is free software; you can redistribute it and/or modify it

# under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by

# the Free Software Foundation; either version 2.1 of the License, or

# (at your option) any later version.

[Unit]

Description&＃61;Graphical Interface

Documentation&＃61;man:systemd.special(7)

Requires&＃61;multi-user.target

Wants&＃61;display-manager.service

Conflicts&＃61;rescue.service rescue.target

After&＃61;multi-user.target rescue.service rescue.target display-manager.service

AllowIsolate&＃61;yes

其中Requires行指明了本单元的依赖关系(其他各项意义可以通过命令man systemd.unit查看)&＃xff0c;顺着此文件&＃xff0c;可以找到需要执行的单元&＃xff1a;multi-user.target、basic.target、sysinit.target、local-fs.target swap.target、local-fs-pre.target。

4、关机阶段

AL(After-life)&＃xff1a;当系统硬件或操作系统出现严重错误不能继续正常运行时&＃xff0c;固件会尝试修复错误&＃xff0c;这时系统进入AL期。UEFI标准并没有定义此阶段的行为和规范。系统供应商可以自行定义。