CentOS6開機啟動過程詳解

CentOS 6 開機流程——Linux由kernel和rootfs組成。kernel負責進程管理、記憶體管理、網路管理、驅動程式、檔案系統、安全等;rootfs由程式和glibc組成，完善作業系統的功能。同時Linux核心的特點是模組化，通過對模組裝載解除安裝可以對核心功能自定義。Linux核心映象檔案：/boot/vmlinuz-2.6.32-696.el6.x86_64

整體的流程

• BIOS/開機自檢

• MBR引導（Boot Loader）

• 啟動核心

• 啟動第一個進程init

 

一、BIOS/開機自檢

1.1 微控制器

    系統想要啟動必須先載入BIOS，按下電源鍵時，給微控制器下達一條復位指令，各暫存器復位，最後下達一條跳轉指令，跳轉到BIOS的ROM，使得硬體去讀取主機板上的BIOS程式，在這之前都是由硬體來完成，之後硬體就會把控制權交給BIOS；

1.2 BIOS->POST

    隨後BIOS程式載入CMOS（可讀寫的RAM晶片，儲存BIOS設定硬體引數的資料）的資訊，藉CMOS取得主機的各項硬體設定；

    取得硬體設定的資訊之後，BIOS進行加電自檢（Power-on self Test，POST）過程,檢測計算機各種硬體資訊，如果發現硬體錯誤則會報錯（發出聲音警告）；

    之後BIOS對硬體進行初始化

    BIOS將自己複製到實體記憶體中繼續執行，開始按順序搜尋可引導儲存裝置，決定儲存裝置的順序（即定義第一個可引導的磁碟，當然是在有兩個磁碟的前提），接下來就會讀取磁碟的內容，但是要讀取磁碟檔案必須要有檔案系統，這對BIOS掛載檔案系統來說是不可能，因此需要一個不依賴檔案系統的方法使得BIOS讀取磁碟內容，這種方法就是引入MBR。最後BIOS通過INT 13硬體中斷功能讀取第一個可引導的儲存裝置的MBR（0磁軌0磁區）中的boot loader。將MBR載入到實體記憶體中執行。小tip：判斷可引導磁碟就是判斷每個磁碟前512位元組結尾是否存在55AA，有就是可引導，沒有就繼續檢查下一個磁碟。

    MBR載入記憶體後，BIOS將控制權轉交給MBR（準確的說應該是MBR中的boot loader），然後MBR接管任務開始執行。

二、MBR引導（Boot Loader）

    載入了第一個可引導的儲存裝置的MBR後，MBR中的boot loader就要讀取所在磁碟的作業系統核心檔案（即後面所說的核心）了。

2.1 boot loader

    但是呢還存在一些問題，不同作業系統的檔案系統格式不同？還有我們知道一個磁碟可以安裝多個作業系統，boot loader怎麼能夠做到引導的就是我們想要的作業系統呢？這麼多不同的功能單靠一個446位元組的boot loader是遠遠不夠的。因此必須弄一個相對應的程式來處理各自對應的作業系統核心檔案，這個程式就是作業系統的loader（注意不是MBR中的boot loader），這樣一來boot loader只需要將控制權交給對應作業系統的loader，讓它負責去啟動作業系統就行了。

    這裡有張圖能更好地解釋boot loader的作用：

   

    解讀上圖內容，我們知道一個硬碟的每個分割區的第一個磁區叫做boot sector，這個磁區存放的就是作業系統的loader，所以我們常說一個分割區只能安裝一個作業系統，如上圖，第一個分割區的boot sector存放著windows的loader，第二個分割區放著Linux的loader，第三個第四個由於沒有安裝作業系統所以空著。至於MBR的boot loader是幹嘛呢， boot loader有三個功能：提供選單，讀取核心檔案，轉交給其他loader ，

    提供選單就是給使用者提供一張選項單，讓使用者選擇進入哪個作業系統；

    讀取核心檔案，我們知道系統會有一個預設啟動的作業系統，這個作業系統的loader在所在分割區的boot sector有一份，除此之外，也會將這個預設啟動的作業系統的loader複製一份到MBR的boot loader中，這樣一來MBR就會直接讀取boot loader中的loader了，然後就是啟動預設的作業系統；

    轉交個其他的loader，當使用者選擇其他作業系統啟動的時候，boot loader會將控制權轉交給對應的loader，讓它負責作業系統的啟動。

    另外我看書上寫，安裝windows作業系統的時候，windows會主動複製一份自己的loader到MBR中的boot loader中，這種操作在linux下不會。所以我們安裝多重作業系統的時候要求先安裝windows，然後再安裝Linux；我們假設先安裝Linux，再安裝windows的時候就會自動把windows的loader複製到MBR中的boot loader，這樣一來就會預設優先啟動windows。然而先安裝windows，自動複製windows的loader到boot loader，再安裝Linux的時候，我們可以設定把Linux的loader複製到boot loader中，把原先windows的覆蓋掉，這樣才能設定Linux預設啟動。

2.2 Linux的GRUB

    Linux的loader使用的是GRUB，我們常說的Linux中的loader就是grub，我認為這種說法是不準確的，我們知道MBR的boot loader是446位元組，而grub呢，不僅僅446位元組。

    那MBR的boot loader和grub到底是什麼關係呢，在這裡說明，GRUB是一個啟動管理器，和Linux沒有強制的關係，當然也可以用GRUB啟動Windows。首先我們可以通過rpm -qi grub命令檢視grub的版本。

    進入/boot/grub目錄下，我們可以看到很多檔案，其實Linux的loader為stage1那個檔案（如下圖，剛好512位元組），我們在安裝Linux的時候，系統會把stage1檔案安裝到所在分割區的boot sector中，同時預設Linux啟動的話，也需要把stage1中的引導程式碼安裝到MBR中的boot loader中。該檔案太小，能完成的功能有限，因此Linux的loader只是簡單的引導作用。

   MBR完成了主程式的引導後，會把控制權交給GRUB，主載入程式開始載入組態檔了，但是載入這些組態檔之前需要有檔案系統的支援，可是現在還沒有檔案系統呢，在網上查閱資料說的“GRUB內建檔案系統存取支援，雖然是極度精簡的，但已經具備根據路徑讀取相應檔案的二進位制流。換句話說，GRUB在不依賴Linux核心的情況下具有讀取組態檔與核心映像的能力”。GRUB的內建檔案系統其實是依靠stage1_5那些檔案定義的，而且有不同檔案系統的stage1_5。我們在安裝Linux的時候會把stage1_5相關檔案放到0磁軌1-62磁區中（一個磁軌63個磁區，劃分分割區是從1磁軌開始的，除了MBR外，所以會有62個磁區作為保留磁區），用於定義grub的檔案系統。

    而後開始讀取stage2開始真正地讀取組態檔grub.conf。解析/boot/grub/grub.conf檔案

default=0# 預設啟動第一個系統核心，即後面的title部分，1代表第二個，依次類推，
timeout=5# 設定系統留給使用者選擇系統核心的時間為5s。
splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz
# 使用者選擇核心時候的背景圖片檔案，這裡的hd0,0是第一個硬碟的第一個分割區，沒有/dev/sdaX的概念
hiddenmenu    # 是否顯示選單畫面
title CentOS 6 (2.6.32-696.el6.x86_64)    # 第一個選單的名字，可以自定義
    root (hd0,0)    # 核心檔案放置的分割區
    kernel ... ro root= ... rhgb quiet
    # 核心檔案；讀取核心檔案之後要掛載/目錄，唯讀，root後跟真正的/目錄掛載的分割區
    # rhgb 表示預設圖形顯示，把啟動過程覆蓋掉
    # quit表示系統啟動時將模組啟動的詳細資訊遮蔽，只顯示模組啟動時候成功（ok or failed）
    initrd ...# 核心映象檔案

   

    總之，MBR就是載入核心檔案的。

三、啟動核心

3.1 載入核心檔案

    MBR將核心檔案（程式碼）載入實體記憶體中執行，核心就是/boot/vmlinuz-2.6.32-696.el6.x86_64，觀察該檔案，發現這是一個壓縮映象檔案。

    控制權轉交給核心後，核心重新檢測各種硬體資訊，（第一次為POST自檢）我們前邊說了，一個完整的Linux包括核心和核心之上的程式，因此核心還要載入提供這些程式功能的模組，然而這些模組都在根目錄的/lib/modules/2.6.32-696.el6.x86_64下（/和/lib/modules/不能掛載不同的分割區），這時候核心還沒有檔案系統的概念，沒有檔案系統就沒辦法掛載根目錄，想要掛載根目錄就需要相應的模組支援，而我們原本的問題就是如何載入模組（先有雞後有蛋的問題）。

3.2 載入initrd

    /boot/initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img檔案就是解決上面問題的，我們來看一下這個檔案：

file initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img # 檢視該檔案型別
cp initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img /app
cd /app
mv initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img.gz
# gzip解壓檔案必須以.gz字尾
gzip -d initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img.gz
file initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img
# 檢視需要借助cpio命令
mkdir init
cd init
cpio -id < /app/initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img
# 解壓至/app/init目錄下

   

    我們發現解壓之後的內容類似於真正/目錄下內容，這是因為這是一個最小化的Linux根檔案系統。核心就是先把這個檔案展開，形成一個虛擬檔案系統，核心藉虛擬檔案系統裝載必要的模組，完成後釋放該虛擬檔案系統並掛載真正的根目錄。

    initrd的製作：

mkinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

dracut /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

四、啟動第一個進程init

4.1 init進程：主要功能是準備軟體執行的環境   

    核心完成硬體檢測和載入模組後，核心會呼叫第一個進程，就是/sbin/init，至此核心把控制權交給init進程   

    讀取初始化組態檔/etc/inittab，決定作業系統的runlevel，/etc/inittab內有這樣一句： 

        id:runlevel:action:process 

id	代表設定的專案，沒有具體的實際意義
runlevel	執行級別，0-關機、1-單使用者、2-沒有NFS的多使用者、 3-真正的多使用者、4-預留、5-Xwindows、6-reboot
action	init的動作行為，initdefault表示要預設啟動的runlevel
process	執行動作的指令，一般為指令碼檔案

4.2 /etc/rc.d/rc.sysinit

    讀取/etc/rc.d/rc.sysinit系統初始化指令碼，設定主機名，掛載/etc/fstab中的檔案系統，修改/etc/sysctl.conf 的核心引數等各項系統環境。

    檢視該指令碼內容，大致功能如下

        定義主機名，如果不存在則將主機名定義為localhost；

        讀取/etc/sysconfig/network檔案，設定網路環境；

        掛載記憶體裝置/proc和USB裝置/sys，如果USB裝置存在，則會載入usb模組並掛載usb檔案系統；

        接下來是SELINUX的一些相關設定；

        設定text banner，顯示歡迎介面；

        ...

        將開機啟動資訊存放到/var/log/dmesg中。

4.3 /etc/rc.d/rc

    執行/etc/rc.d/rc指令碼，下面是/etc/rc.d/rc指令碼中我們關心的程式碼部分：

# First, run the KILL scripts.
for i in /etc/rc$runlevel.d/K* ; do
# Check if the subsystem is already up.
subsys=${i#/etc/rc$runlevel.d/K??}
[ -f /var/lock/subsys/$subsys -o -f /var/lock/subsys/$subsys.init ] || continue
check_runlevel "$i" || continue
# Bring the subsystem down.
[ -n "$UPSTART" ] && initctl emit --quiet stopping JOB=$subsys
$i stop
[ -n "$UPSTART" ] && initctl emit --quiet stopped JOB=$subsys
done
# Now run the START scripts.
for i in /etc/rc$runlevel.d/S* ; do
# Check if the subsystem is already up.
subsys=${i#/etc/rc$runlevel.d/S??}
[ -f /var/lock/subsys/$subsys ] && continue
[ -f /var/lock/subsys/$subsys.init ] && continue
check_runlevel "$i" || continue

    根據執行級別（0123456）進入相應的/etc/rc.d/rcN.d目錄，啟動和關閉相關的系統服務。裡邊存放著一堆以K和S開頭的軟連結檔案，分別代表對應的服務。K開頭表示該執行級別下需要把該服務殺死，S開頭表示該執行級別下需要把該服務開啟。，上訴操作都是由/etc/rc.d/rc指令碼來完成的。另外我們還注意都S和K後邊的數位，他們的數位代表了讀取的順序，因為有些服務是具有一定的關聯性。

    而且每個rcN.d目錄內最後都會有一個S99local檔案 ，該檔案指向 ../rc.local指令碼。

4.4 /etc/rc.d/rc.local

    系統根據runlevel執行完/etc/rc.d/rcN.d中的指令碼後，呼叫/etc/rc.d/rc.local指令碼

    這時候系統已經完成了各種必要系統服務的啟動，假如我們想自定義一些指令要在開機的時候啟動，我們就可以把他們放到/etc/rc.d/rc.local內，該檔案預設為空。

4.5 啟動終端   

    接下來會由/sbin/mingetty指令啟動終端，由於系統設定啟動tty1-tty6 ，所以會啟動6個命令列終端。最終呈現給我們的就是這樣一個畫面：

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