CentOS RedHat启动过程详解

A、简要说明

    当用户打开PC的电源，BIOS开机自检，按BIOS中设置的启动设备(通常是硬盘)启动，接着启动设备上安装的引导程序lilo或grub开始引导Linux，Linux首先进行内核的引导，接下来执行init程序，init程序调用了rc.sysinit和rc等程序，rc.sysinit和rc当完成系统初始化和运行服务的任务后，返回init；init启动了mingetty后，打开了终端供用户登录系统，用户登录成功后进入了Shell，这样就完成了从开机到登录的整个启动过程。

 

Linux 系统启动过程大致按照如下步骤进行（这是一个简述）：

第一阶段：BIOS启动引导阶段

在该过程中实现硬件的初始化以及查找启动介质；

从MBR（Master BootRecord）中装载启动引导管理器（LILO或GRUB）并运行该启动引导管理

第二阶段：GRUB为例启动引导阶段

装载stage1

装载stage1.5

装载stage2

读取/boot/grub.conf 文件并显示启动菜单；

装载所选的kernel和initrd 文件到内存中

第三阶段：内核阶段

运行内核启动参数；

解压initrd 文件并挂载initd 文件系统，装载必须的驱动；

挂载根文件系统

第四阶段：Sys V init 初始化阶段

启动/sbin/init 程序；

运行rc.sysinit脚本，设置系统环境，启动swap 分区，检查和挂载文件系统；

读取/etc/inittab文件，运行在/et/rc.d/rc<#>.d中定义的不同运行级别的服务初始化脚本；

打开字符终端1-6号控制台/打开图形显示管理的7号控制台

 

B、详细说明

第一阶段：

系统上电开机后，主板BIOS（Basic Input / Output System）运行POST（Power on selftest）代码，检测系统外围关键设备（如：CPU、内存、显卡、I/O、键盘鼠标等）。硬件配置信息及一些用户配置参数存储在主板的CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)上（一般64字节），实际上就是主板上一块可读写的RAM芯片，由主板上的电池供电，系统掉电后，信息不会丢失。

执行POST代码对系统外围关键设备检测通过后，系统启动自举程序，根据我们在BIOS中设置的启动顺序搜索启动驱动器（比如的硬盘、光驱、网络服务器等）。选择合适的启动器，比如通常情况下的硬盘设备，BIOS会读取硬盘设备的第一个扇区（MBR，512字节），并执行其中的代码。实际上这里BIOS并不关心启动设备第一个扇区中是什么内容，它只是负责读取该扇区内容、并执行，BIOS的任务就完成了。此后将系统启动的控制权移交到MBR部分的代码。

注：在我们的现行系统中，大多关键设备都是连在主板上的。因此主板BIOS提供了一个操作系统（软件）和系统外围关键设备（硬件）最底级别的接口，在这个阶段，检测系统外围关键设备是否“准备好”，以供操作系统使用。

第二阶段：

BIOS通过下面两种方法之一来传递引导记录：

第一，将控制权传递给initial program loader（IPL），该程序安装在磁盘主引导记录（MBR）中

第二，将控制权传递给initial program loader（IPL），该程序安装在磁盘分区的启动引导扇区中

无论上面的哪种情况中，IPL都是MBR的一部分并应该存储于一个不大于446字节的磁盘空间中，因为MBR是一个不大于512字节的空间。

因此IPL仅仅是GRUB的第一个部分（stage1），他的作用就是定位和装载GRUB的第二个部分（stage2）；stage2对启动系统起关键作用，该部分提供了GRUB启动菜单和交互式的GRUB的shell。启动菜单在启动时候通过/boot/grub/grub.conf文件所定义的内容生成。在启动菜单中选择了kernel之后，GRUB会负责解压和装载kernelimage并且将initrd装载到内存中。最后GRUB初始化kernel启动代码。完成之后后续的引导权被移交给kernel。

假设Boot Loader为grub (grub-0.97)，其引导系统的过程如下：

grub分为stage1(stage1_5)和stage2两个阶段。stage1可以看成是initial programloaderI（IPL），而stage2则实现了grub的主要功能，包括对特定文件系统的支持（如ext2，ext3，reiserfs等），grub自己的shell，以及内部程序（如：kernrl，initrd，root）等。

stage1：MBR（512字节，0头0道1扇区），前446字节存放的是stage1，后面存放硬盘分区表信息，BIOS将stag1载入内存中0x7c00处并跳转执行。

stage1（/stage1/start.S）的任务非常单纯，仅仅是将硬盘0头0道2扇区读入内存。0头0道2扇区内容是源代码中的/stage2/start.S，编译后512字节，它是stage2或者stage1_5的入口。

注：此时stage1是没有能力识别文件系统的，其定位硬盘0头0道2扇区过程如下：BIOS将stage1载入内存0x7c00处并执行，然后调用BIOSINIT13中断，将硬盘0头0道2扇区内容载入内存0x7000处，然后调用copy_buffer将其转移到内存0x8000处。定位0头0道2扇区有两种寻址方式：LBA、CHS。

start.S的主要功能是将stage2或stage1_5从硬盘载入内存，如果是stage2，则载入0x820处；如果是stage1_5，则载入0x2200处。

注：这里的stage2或者stage1_5不是/boot分区/boot/grub目录下的文件，这个时候grub还没有能力识别任何文件系统。分以下两种情况：

（1）假如start.S读取的是stage1_5，它存放在硬盘0头0道3扇区向后的位置，stage1_5作为stage1和stage2中间的桥梁，stage1_5有识别文件系统的能力，此后grub才有能力去访问/boot分区/boot/grub目录下的 stage2文件，将stage2载入内存并执行。

（2）假如start.S读取的是stage2，同样，这个stage2也不是/boot分区/boot/grub目录下的stage2，这个时候start.S读取的是存放在/boot分区BootSector的stage2。这种情况下就有一个限制：因为start.S通过BIOS中断方式直接对硬盘寻址（而非通过访问具体的文件系统），其寻址范围有限，限制在8GB以内。因此这种情况需要将/boot分区分在硬盘8GB寻址空间之前。

假如是情形（2），我们将/boot/grub目录下的内容清空，依然能成功启动grub；假如是情形（1），将/boot/grub目录下stage2删除后，则系统启动过程中grub会启动失败。

这个地方经常要进行的操作：

是关于grub 常用的几个指令对应的函数：

grub>root (hd0,0) --root指令为grub 指定了一个根分区

grub>kernel /xen.gz-2.6.18-37.el5--kernel指令将操作系统内核载入内存

grub>module /vmlinuz-2.6.18-37.el5xen roroot=/dev/sda2 --module指令加载指定的模块

grub>module /initrd-2.6.18-37.el5xen.img--指定initrd文件

grub>boot --boot 指令调用相应的启动函数启动OS内核

第三阶段：

如阶段2所述，grub>boot指令后，系统启动的控制权移交给kernel。Kernel会立即初始化系统中各设备并做相关配置工作，其中包括CPU、I/O、存储设备等。

关于设备驱动加载，有两部分：一部分设备驱动编入LinuxKernel中，Kernel会调用这部分驱动初始化相关设备，同时将日志输出到kernel messagebuffer，系统启动后dmesg可以查看到这部分输出信息。另外有一部分设备驱动并没有编入Kernel，而是作为模块形式放在initrd（ramdisk）中。

在2.6内核中，支持两种格式的initrd，一种是2.4内核的文件系统镜像image-initrd，一种是cpio格式。以cpio格式为例，内核判断initrd为cpio的文件格式后，会将initrd中的内容释放到rootfs中。

initrd 是一种基于内存的文件系统，启动过程中，系统在访问真正的根文件系统时，会先访问initrd文件系统。将initrd中的内容打开来看，会发现有bin、devetc、lib、procsys、sysroot、init等文件（包含目录）。其中包含了一些设备的驱动模块，比如scsiata等设备驱动模块，同时还有几个基本的可执行程序insmod,modprobe,lvm，nash。主要目的是加载一些存储介质的驱动模块，如上面所说的scsiideusb等设备驱动模块，初始化LVM，把根文件系统以只读方式挂载。

initrd中的内容释放到rootfs中后，Kernel会执行其中的init文件，这里的init是一个脚本，由nash解释器执行。这个时候内核的控制权移交给init文件处理，我们查看init文件的内容，主要也是加载各种存储介质相关的设备驱动。

驱动加载后，会创建一个根设备，然后将根文件系统以只读的方式挂载。这步结束后释放未使用内存并执行switchroot，转换到真正的根上面去，同时运行/sbin/init程序，开启系统的1号进程，此后系统启动的控制权移交给init进程。关于switchroot是在nash中定义的程序。

LinuxKernel需要适应多种不同的硬件架构，但是将所有的硬件驱动编入Kernel又是不实际的，而且Kernel也不可能每新出一种硬件结构，就将该硬件的设备驱动写入内核。实际上LinuxKernel仅是包含了基本的硬件驱动，在系统安装过程中会检测系统硬件信息，根据安装信息和系统硬件信息将一部分设备驱动写入initrd。这样在以后启动系统时，一部分设备驱动就放在initrd中来加载。

第四阶段：

init进程起来后，系统启动的控制权移交给init进程。

/sbin/init进程是所有进程的父进程，当init起来之后，它首先会读取配置文件/etc/inittab，进行以下工作：

1）执行系统初始化脚本(/etc/rc.d/rc.sysinit)，对系统进行基本的配置，以读写方式挂载根文件系统及其它文件系统，到此系统基本算运行起来了，后面需要进行运行级别的确定及相应服务的启动；

2）确定启动后进入的运行级别；

3)执行/etc/rc.d/rc，该文件定义了服务启动的顺序是先K后S，而具体的每个运行级别的服务状态是放在/etc/rc.d/rcn.d（n=0~6）目录下，所有的文件均链接至/etc/init.d下的相应文件。

4）/etc/rc.d/rc$RUNLEVEL         # $RUNLEVEL为缺省的运行模式

5) /etc/rc.d/rc.local

6）启动虚拟终端/sbin/mingetty

7）在运行级别5上运行X

这时呈现给用户的就是最终的登录界面。

至此，系统启动过程完毕。

说明：

系统启动运行级别的概念以及服务的定制方法；

当initrd 可以正常检测和装载之后，最后的工作就基本上由操作系统来进行了。当系统的init进程起来之后系统启动的控制权移交给init进程。

/sbin/init 进程是所有进程的父进程，当init起来之后，它首先会读取配置文件/etc/inittab，进行以下工作：

1）执行系统初始化脚本(/etc/rc.d/rc.sysinit)，对系统进行基本的配置，以读写方式挂载根文件系统及其它文件系统，后面需要进行运行级别的确定及相应服务的启动，（从这个角度可以看出如果要定义系统的init动作，需要修改/etc/rc.d/rc.sysinit脚本）。它的主要工作有：配置selinux，系统时钟，内核参数（/etc/sysctl.conf），hostname，启用wap分区，根文件系统的检查和二次挂载（读写），激活RAID和LVM设备，启用磁盘quota检查并挂载其它文件系统。

2）通过对/etc/inittab文件