王士剛

長春大學(xué)，吉林長春 130022

Linux系統(tǒng)的啟動(dòng)過程研究

王士剛

長春大學(xué)，吉林長春 130022

Linux操作系統(tǒng)是日益流行起來的具有多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。在linux操作系統(tǒng)的啟動(dòng)過程中，經(jīng)歷了BIOS自檢，GRUB引導(dǎo)，加載Linux 內(nèi)核，執(zhí)行/sbin/init，執(zhí)行腳本等過程。本文主要研究Linux啟動(dòng)過程中的每個(gè)步驟，揭示Linux的啟動(dòng)過程。

GRUB；Linux；引導(dǎo)；操作系統(tǒng)

0 引言

Linux操作系統(tǒng)是免費(fèi)使用和自由傳播的操作系統(tǒng)，是具有多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU等特點(diǎn)的操作系統(tǒng)。在Linux操作系統(tǒng)啟動(dòng)過程中，我們能看到大量的檢測語句和檢測結(jié)果。這些檢測過程使我們對Linux操作系統(tǒng)的啟動(dòng)充滿了好奇。Linux操作系統(tǒng)的啟動(dòng)經(jīng)歷了BIOS自檢、GRUB引導(dǎo)、加載Linux內(nèi)核、執(zhí)行/sbin/init和執(zhí)行腳本等一系列過程。在這個(gè)過程的第一個(gè)步驟BIOS自檢是任何一個(gè)操作系統(tǒng)啟動(dòng)必須經(jīng)歷的過程，也是機(jī)器啟動(dòng)時(shí)必要的自我檢查的過程。下面我們來詳細(xì)研究一下每個(gè)步驟。

1 BIOS檢測

當(dāng)啟動(dòng)電源時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)從CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，保存了計(jì)算機(jī)運(yùn)行最基本的程序和參數(shù)）加載BIOS（基本輸入輸出程序，完成機(jī)器自檢等步驟后將主控權(quán)交給引導(dǎo)程序），開始檢測基本的硬件信息。

1.1 post系統(tǒng)檢查

BIOS首先要對系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，確保每個(gè)核心組件，例如：cpu、內(nèi)存等存在，并且正常運(yùn)行。這一檢測經(jīng)常被稱為post或power on selftest（加電自檢）。

1.2 設(shè)備初始化

系統(tǒng)的BIOS初始化串行端口、視頻設(shè)備、鍵盤等核心設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，分配合適的系統(tǒng)資源，例如IRQ和I/O端口。目前的BIOS也執(zhí)行即插即用協(xié)議（檢測并驅(qū)動(dòng)即插即用設(shè)備的協(xié)議），此協(xié)議用來探測PCI設(shè)備所支持的設(shè)備資源設(shè)置，并且為每一個(gè)PCI設(shè)備分配一個(gè)不同與其他設(shè)備沖突的配置。

1.3 引導(dǎo)設(shè)備選擇

BIOS完成設(shè)備初始化工作之后，會(huì)搜索機(jī)器中合適的引導(dǎo)設(shè)備，這個(gè)過程可能因?yàn)闄C(jī)器本身的情況而有所不同，這些參數(shù)也可以在CMOS中修改。通常引導(dǎo)設(shè)備按以下選項(xiàng)選擇。

第一，軟盤驅(qū)動(dòng)器；

第二，CD光驅(qū)；

第三，SCSI硬盤或IDE；

第四，PXE兼容網(wǎng)卡。

說明：預(yù)啟動(dòng)執(zhí)行環(huán)境PXE兼容網(wǎng)卡通常情況下執(zhí)行DHCP IP配置協(xié)議和TFTP文件傳輸協(xié)議，允許網(wǎng)卡在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)和下載內(nèi)核映像。

1.4 移交執(zhí)行區(qū)域

在選擇了合適的引導(dǎo)盤后，BIOS會(huì)把磁盤的第一個(gè)數(shù)據(jù)塊載入內(nèi)存中，并把執(zhí)行傳遞到這個(gè)區(qū)域。任何引導(dǎo)盤的第一個(gè)數(shù)據(jù)塊都含有一個(gè)小的可執(zhí)行文件，即引導(dǎo)程序。引導(dǎo)程序會(huì)因?yàn)樗褂貌僮飨到y(tǒng)的不同而不同，即使同一類操作系統(tǒng)，也會(huì)因?yàn)榘姹静煌煌inux的引導(dǎo)程序由最初的LILO發(fā)展到現(xiàn)在的GRUB，我們這篇文章主要介紹GRUB的相關(guān)內(nèi)容。

2 GRUB引導(dǎo)程序

GRUB是一個(gè)來自GNU項(xiàng)目的多操作系統(tǒng)啟動(dòng)程序，是將引導(dǎo)裝載程序安裝到主引導(dǎo)記錄的一個(gè)程序，主引導(dǎo)記錄位于硬盤開始的扇區(qū)。是計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)過程中運(yùn)行的第一個(gè)程序，一般情況下在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，通過BIOS自檢后讀取并且運(yùn)行硬盤主引導(dǎo)扇區(qū)中的啟動(dòng)引導(dǎo)器程序，啟動(dòng)引導(dǎo)再負(fù)責(zé)加載啟動(dòng)硬盤分區(qū)中的操作系統(tǒng)。

Linux系統(tǒng)中的引導(dǎo)程序有以下3個(gè)作用：

1）編寫合適的內(nèi)核命令行；

2）裝載合適的初始虛擬磁盤（簡稱initrd）；

3）裝載合適的linux內(nèi)核并移交控制權(quán)給他。

BIOS通過裝載并執(zhí)行磁盤的第一個(gè)數(shù)據(jù)塊的方式把控制權(quán)傳遞給引導(dǎo)程序。所以，引導(dǎo)程序在設(shè)計(jì)上通常執(zhí)行兩個(gè)階段：

第一階段，第一階段的引導(dǎo)程序通常很小，適合主引導(dǎo)記錄。第一階段引導(dǎo)程序的任務(wù)是：定位、裝載并把控制權(quán)傳遞給第二個(gè)階段的引導(dǎo)程序，這個(gè)文件在文件系統(tǒng)中是看不到的；

第二階段，第二階段的引導(dǎo)程序通常就是引導(dǎo)程序自身，它在啟動(dòng)時(shí)就運(yùn)行了某種形式的應(yīng)用程序，能夠讀取有關(guān)默認(rèn)設(shè)置的配置信息。第二階段引導(dǎo)程序通常是文件系統(tǒng)中可以識(shí)別的二進(jìn)制文件。

3 加載 Linux 內(nèi)核

在GRUB引導(dǎo)階段，系統(tǒng)開始加載內(nèi)核程序，可以說是此時(shí)以正式進(jìn)入Linux 的控制階段。Linux首先會(huì)檢索系統(tǒng)上所有硬設(shè)備，并且驅(qū)動(dòng)它們，同時(shí)，這些硬設(shè)備的信息也會(huì)在屏幕上顯示，用戶可以通過顯示信息了解硬設(shè)備是否成功驅(qū)動(dòng)。也可以在開機(jī)后，打開/var/log/dmesg文件來檢查所有的開機(jī)信息。

4 執(zhí)行/sbin/init

在系統(tǒng)加載內(nèi)核后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用/sbin/init程序，在init程序執(zhí)行完畢后，init程序會(huì)成為所有啟動(dòng)程序的父程序。

5 執(zhí)行腳本

第一，系統(tǒng)執(zhí)行/etc/rc.d/rc.sysint Script腳本，通過執(zhí)行此腳本，完成以下功能：1）用來設(shè)置環(huán)境變量的內(nèi)容；2）通過讀取/etc/sysconfig/network文件來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等內(nèi)容；3）啟動(dòng)Swapping，檢查root文件系統(tǒng)是否正，檢查系統(tǒng)參數(shù)及設(shè)置PNP、消除/etc/mtab；4）加載root及/proc文件系統(tǒng)，決定是否使用模塊并加載模塊；5）使用fsck檢查文件系統(tǒng)；6）加載其他文件系統(tǒng)；7）設(shè)置平臺(tái)字符；8）打開配置（quota），清除不必要的文件；9）使用/etc/sysconfig/clock文件以初始化clock；10）執(zhí)行rc.serial以將串行端口進(jìn)行初始化。將開機(jī)信息經(jīng)由dmesg存入/var/log/dmesg中。第二，執(zhí)行/etc/inittab Script。第三，執(zhí)行/etc/rc.d/rc.local。第四、執(zhí)行/bin/login程序，提示用戶輸入帳號(hào)和密碼，對帳號(hào)和密碼進(jìn)行編碼，確認(rèn)密碼的正確性，若正確，則開始為用戶進(jìn)行環(huán)境的初始化，然后將控制權(quán)交給shell。至此系統(tǒng)啟動(dòng)成功。

6 結(jié)論

Linux操作系統(tǒng)與windows操作系統(tǒng)的啟動(dòng)過程有相近之處。在操作系統(tǒng)獲得系統(tǒng)控制權(quán)之前都是由BIOS完成機(jī)器啟動(dòng)、自檢等步驟，在此之后就有些不同，Linux引導(dǎo)程序是GRUB，而windows2003/xp使用的引導(dǎo)程序是NTLDR，windows vista/7使用的則是bootmgr，因此在啟動(dòng)過程中有很大的區(qū)別，不過最終都完成了從BIOS到OS的啟動(dòng)過程。

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[3]新設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì).Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)的藝術(shù)：圖解Linux操作系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：3-42.

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1674-6708（2011）57-0184-02

王士剛，助教，工作單位：長春大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，主要從事計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)等方面的研究工作