Linux内核启动过程分析

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Linux内核启动过程分析

1、Linux内核启动协议
阅读文档\linux-2.6.35\Documentation\x86\boot.txt
传统支持Image和zImage内核的启动装载内存布局（2.4以前的内核装载就是这样的布局）：
| |
0A0000 +------------------------+
| Reserved for BIOS | Do not use. Reserved for BIOS EBDA.
09A000 +------------------------+
| Command line |
| Stack/heap | For use by the kernel real-mode code.
098000 +------------------------+
| Kernel setup | The kernel real-mode code.
090200 +------------------------+
| Kernel boot sector | The kernel legacy boot sector.
090000 +------------------------+
| Protected-mode kernel | The bulk of the kernel image.
010000 +------------------------+
| Boot loader | <- Boot sector entry point 0000:7C00
001000 +------------------------+
| Reserved for MBR/BIOS |
000800 +------------------------+
| Typically used by MBR |
000600 +------------------------+
| BIOS use only |
000000 +------------------------+
当使用bzImage时，保护模式的内核会被重定位到0x1000000（高端内存），内核实模式的代码（boot sector,setup和stack/heap）会被编译成可重定位到0x100000与低端内存底端之间的任何地址处。不幸的是，在2.00和2.01版的引导协议中，0x90000+的内存区域仍然被使用在内核的内部。2.02版的引导协议解决了这个问题。boot loader应该使BIOS的12h中断调用来检查低端内存中还有多少内存可用。
人们都希望“内存上限”，即boot loader触及的低端内存最高处的指针，尽可能地低，因为一些新的BIOS开始分配一些相当大的内存，所谓的扩展BIOS数据域，几乎快接近低端内存的最高处了。
不幸的是，如果BIOS 12h中断报告说内存的数量太小了，则boot loader除了报告一个错误给用户外，什么也不会做。因此，boot loader应该被设计成占用尽可能少的低端内存。对zImage和以前的bzImage，这要求数据能被写到x090000段，boot loader应该确保不会使用0x9A000指针以上的内存；很多BIOS在这个指针以上会终止。
对一个引导协议>=2.02的现代bzImage内核，其内存布局使用以下格式：
| Protected-mode kernel |
100000 +------------------------+
| I/O memory hole |
0A0000 +------------------------+
| Reserved for BIOS | Leave as much as possible unused
~ ~
| Command line | (Can also be below the X+10000 mark)
X+10000 +------------------------+
| Stack/heap | For use by the kernel real-mode code.
X+08000 +------------------------+
| Kernel setup | The kernel real-mode code.
| Kernel boot sector | The kernel legacy boot sector.
X +------------------------+
| Boot loader | <- Boot sector entry point 0000:7C00
001000 +------------------------+
| Reserved for MBR/BIOS |
000800 +------------------------+
| Typically used by MBR |
000600 +------------------------+
| BIOS use only |
000000 +------------------------+
这里程序段地址是由grub的大小来决定的。地址X应该在bootloader所允许的范围内尽可能地低。
2、BIOS POST过程
传统意义上，由于CPU加电之后，CPU只能访问ROM或者RAM里的数据，而这个时候是没有计算机操作系统的，所以需要有一段程序能够完成加载存储在非易失性存储介质（比如硬盘）上的操作系统到RAM中的功能。这段程序存储在ROM里，BIOS就是这类程序中的一种。对于BIOS，主要由两家制造商制造，驻留在主板的ROM里。有了BIOS,硬件制造商可以只需要关注硬件而不需要关注软件。BIOS的服务程序，是通过调用中断服务程序来实现的。BIOS加载bootloader程序，Bootloader也可以通过BIOS提供的中断，向BIOS获取系统的信息。整个过程如下：
（1）电源启动时钟发生器并在总线上产生一个#POWERGOOD的中断。
（2）产生CPU的RESET中断（此时CPU处于8086工作模式）。
（3）进入BIOS POST代码处：%ds=%es=%fs=%gs=%ss=0,%cs=0xFFFF0000,%eip = 0x0000FFF0 (ROM BIOS POST code，指令指针eip，数据段寄存器ds，代码段寄存器cs）。
（4）在中断无效状态下执行所有POST检查。
（5）在地址0初始化中断向量表IVT。
（6）0x19中断：以启动设备号为参数调用BIOS启动装载程序。这个程序从启动设备(硬盘)的0扇面1扇区读取数据到内存物理地址0x7C00处开始装载。这个0扇面1扇区称为Boot sector(引导扇区)，共512字节，也称为MBR。
就是说，CPU 在 BIOS 的入口（CS:IP=FFFF:0000）处执行BIOS的汇编程序，BIOS程序功能有系统硬件的检测，提供中断访问接口以访问硬件。而后被BIOS程序通过中断0x19调用磁盘MBR上的bootloader程序，将bootloader程序加载到ox7c00处，而后跳转到0x7c00,这样，位于 0x7c00处的bootloader程序，就可以执行了。
从BIOS执行MBR中的bootloader程序开始，就是linux的代码在做的事情了。
3、Bootloader过程
bootloader程序是为计算机加载（load）计算机操作系统的。boot（引导）是bootstrap的简写，bootstrap是引导指令的意思。bootloader程序通常位于硬盘上，被BIOS调用，用于加载内核。在PC机上常见的bootloader主要有grub、lilo、syslinux等。
GRUB（GRand Unified Bootloader）是当前linux诸多发行版本默认的引导程序。嵌入式系统上，最常见的bootloader是U-BOOT。这样的bootloader一般位于MBR的最前部。在linux系统中，bootloader也可以写入文件系统所在分区中。比如，grub程序就非常强大。Gurb运行后，将初始化设置内核运行所需的环境。然后加载内核镜像。
grub磁盘引导全过程：
（1）stage1: grub读取磁盘第一个512字节（硬盘的0道0面1扇区，被称为MBR（主引导记录）,也称为bootsect）。MBR由一部分bootloader的引导代码、分区表和魔数三部分组成。
（2）stage1_5: 识别各种不同的文件系统格式。这使得grub识别到文件系统。
（3）stage2: 加载系统引导菜单(/boot/grub/menu.lst或grub.lst)，加载内核vmlinuz和RAM磁盘initrd。
4、内核启动过程
内核映像文件vmlinuz：包含有linux内核的静态链接的可执行文件，传统上，vmlinux被称为可引导的内核镜像。vmlinuz是vmlinux的压缩文件。其构成如下：
（1）第一个512字节（以前是在arch/i386/boot/bootsect.S）;
（2）第二个，一段代码，若干个不多于512字节的段（以前是在arch/i386/boot/setup.S）;
（3）保护模式下的内核代码(在arch/x86/boot/main.c)。
bzImage文件：使用make bzImage命令编译内核源代码，可以得到采用zlib算法压缩的zImage文件，即big zImage文件。老的zImage解压缩内核到低端内存，bzImage则解压缩内核到高端内存（1M（0x100000）以上），在保护模式下执行。bzImage文件一般包含有vmlinuz、bootsect.o、setup.o、解压缩程序misc.o、以及其他一些相关文件（如piggy.o）。注意，在Linux 2.6内核中，bootsect.S和setup.S被整合为header.S。
initramfs(或initrd)文件：initrd是initialized ram disk的意思。主要用于加载硬件驱动模块，辅助内核的启动，挂载真正的根文件系统。

例如，我电脑上的grub启动项如下（在/boot/grub/grub.lst中）：

title Fedora (2.6.35.10-74.fc14.i686)
root (hd0,0)
kernel /vmlinuz-2.6.35.10-74.fc14.i686 ro root=/dev/mapper/VolGroup-lv_root rd_LVM_LV=VolGroup/lv_root rd_LVM_LV=VolGroup/lv_swap rd_NO_LUKS rd_NO_MD rd_NO_DM LANG=zh_CN.UTF-8 KEYBOARDTYPE=pc KEYTABLE=us rhgb quiet
initrd /initramfs-2.6.35.10-74.fc14.i686.img

内核的执行参数可以控制内核的行为，比如ro参数告诉内核，以只读方式挂载根分区，而quiet则告诉内核，启动的时候不要打印任何信息。这些参数不光影响内核的执行，大多数的发行版也使用这些参数控制启动完毕以后后续的动作。这些参数可以在任何时候从/proc/cmdline 这个文件中获得。现在，grub找到了内核(hd0,0)/boot/vmlinuz-2.6.35.10-74.fc14.i686，它将整个电脑的控制权交给了这个程序，内核开始进行各种初始化的动作，你可以将quiet参数去掉，以便看看内核都做了哪些事情，也可以在系统启动成功以后，使用dmesg这个命令查看内核启动的时候，都打印了哪些东西。
启动过程是和体系结构相关的，对于2.6内核，x86体系结构，CPU在上电初始化时，指令寄存器CS:EIP总是被初始化为固定值，这就是CPU复位后的第一条指令的地址。对于32位地址总线的系统来说，4GB的物理空间至少被划分为两个部分，一部分是内存的地址空间，另外一部分地址空间用于对BIOS芯片存储单元进行寻址。x86复位后工作在实模式下，该模式下CPU的寻址空间为1MB。CS:IP的复位值是FFFF:0000，物理地址为FFFF0。主板设计者必须保证把这个物理地址映射到BIOS芯片上，而不是RAM上。
装载Linux内核的第一步应该是加载实模式代码（boot sector和setup代码��，然后检查偏移0x01f1处的头部（header）中的各个参数值。实模式的代码总共有32K，但是boot loader可以选择只装载前面的两个扇区（1K），然后检查bootup扇区的大小。
header中各个域的格式如下：

Offset/Size Proto Name Meaning

01F1/1 ALL(1 setup_sects The size of the setup in sectors
01F2/2 ALL root_flags If set, the root is mounted readonly
01F4/4 2.04+ syssize The size of the 32-bit code in 16-byte paras
01F8/2 ALL ram_size DO NOT USE - for bootsect.S use only
01FA/2 ALL vid_mode Video mode control
01FC/2 ALL root_dev Default root device number
01FE/2 ALL boot_flag 0xAA55 magic number
0200/2 2.00+ jump Jump instruction
0202/4 2.00+ header Magic signature "HdrS"
0206/2 2.00+ version Boot protocol version supported
0208/4 2.00+ realmode_swtch Boot loader hook (see below)
020C/2 2.00+ start_sys_seg The load-low segment (0x1000) (obsolete)
020E/2 2.00+ kernel_version Pointer to kernel version string
0210/1 2.00+ type_of_loader Boot loader identifier
0211/1 2.00+ loadflags Boot protocol option flags
0212/2 2.00+ setup_move_size Move to high memory size (used with hooks)
0214/4 2.00+ code32_start Boot loader hook (see below)
0218/4 2.00+ ramdisk_image initrd load address (set by boot loader)
021C/4 2.00+ ramdisk_size initrd size (set by boot loader)
0220/4 2.00+ bootsect_kludge DO NOT USE - for bootsect.S use only
0224/2 2.01+ heap_end_ptr Free memory after setup end
0226/1 2.02+ ext_loader_ver Extended boot loader version
0227/1 2.02+ ext_loader_type Extended boot loader ID
0228/4 2.02+ cmd_line_ptr 32-bit pointer to the kernel command line
022C/4 2.03+ ramdisk_max Highest legal initrd address
0230/4 2.05+ kernel_alignment Physical addr alignment required for kernel
0234/1 2.05+ relocatable_kernel Whether kernel is relocatable or not
0235/1 2.10+ min_alignment Minimum alignment, as a power of two
0236/2 N/A pad3         Unused
0238/4 2.06+ cmdline_size Maximum size of the kernel command line
023C/4 2.07+ hardware_subarch Hardware subarchitecture
0240/8 2.07+ hardware_subarch_data Subarchitecture-specific data
0248/4 2.08+ payload_offset Offset of kernel payload
024C/4 2.08+ payload_length Length of kernel payload
0250/8 2.09+ setup_data 64-bit physical pointer to linked list of struct setup_data
0258/8 2.10+ pref_address Preferred loading address
0260/4 2.10+ init_size Linear memory required during initialization

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