Linux系統啟動時

之前看到了 Linux 的啟動流程的大概描述：

我想知道更具體的細節，所以搜尋了一些資料，做一個總結。

一、CPU Reset#

當我們按下電源按鈕後，電源就開始給設備供電，一開始供電並不穩定，主板檢測到後，就會一直給 CPU 發送RESET 信號，此時的 CPU 就會清除寄存器上的殘留數據並進行寄存器的設置：

在這之中最重要的寄存器就是CS 和 EIP，CS 中隱式的 Base 會和 RIP 相加，即 $ffff 0000H + fff0H = ffff fff0 H$ ，存放在這個地址 (也稱為重置向量) 的是一條跳轉指令，其跳轉的目的地址是BIOS 的入口地址。

為什麼重置向量不直接設為 BIOS 入口地址，而是要跳轉呢？
X86 芯片一開始是運行在實模式下的，實模式只有 20 位尋址空間（1M），而我們的重置向量是 fff0H，到 ffffH 只有很短的距離，根本放不下 BIOS 程序，所以要跳轉。
至於為什麼要把重置向量放在地址空間的高地址處，是為了給內存騰出更大的空間。

實模式下的內存佈局

多核系統下的 CPU Reset#

多核計算機下，一開始要執行某個協議，系統將選取一個 CPU 來執行，其他 CPU 都處於等待狀態，這個被選取的主 CPU 叫 Bootstrpping CPU（BSP），只有 BSP 繼續執行，其它 CPU 等待 BSP 給它們發指令。

二、BIOS 執行#

BIOS 是固定在 EPROM 中的程序，一般由硬件廠商寫死，其負責引導系統的啟動。

POST 加電自檢#

BIOS 首先執行的程序就是 POST，其用於計算機剛接通電源時對硬件部分的檢測，如果自檢中發現不是很嚴重的錯誤，系統會根據檢測代碼給出提示信息或鳴笛警告。

為什麼選擇鳴笛的方式來發出警報？
因為以前沒有核顯，顯卡就一定是外設，POST 執行時，顯卡還沒有完成初始化，所以無法將錯誤信息顯示在屏幕上，只能通過聲音來報警。

檢測的過程是逐一進行的，BIOS 廠商對每個設備都提供了一個POST CODE，當對某個設備進行檢測時，就會把這個 POST CODE 裝到診斷的端口，如果沒通過，這個 CODE 就會被保留，進行報警。

初始化設備#

POST 結束後，BIOS 還會調用各外設的 BIOS 進行自檢和初始化，比如顯卡的 BIOS。所有的設備都是這個時候初始化並啟動的。
除了初始化設備，BIOS 這個時候還會初始化中斷向量表。

啟動 Bootloader#

在檢測和初始化各種設備之後，BIOS 會查找用戶自定義的啟動順序，默認是磁盤，當然也可以是光盤和 U 盤（以前重裝操作系統時就會用到光盤和 U 盤）：

根據順序，BIOS 會把排在最前面的設備的MBR（主引導記錄），即第 0 磁道第一個扇區的 512 字節，讀到RAM 絕對地址 0x7C00 處，並跳轉到這個地址。

MBR 格式
MBR 不屬於任何一個操作系統，其 512 字節的內容如下：

啟動代碼 (446B)：檢測分區表的準確性，並將系統控制轉移給硬盤上的 Bootloader 程序（比如 grub）

磁盤分區表 (16 X 4B)：DPT，由 4 個分區表組成，每個 16B，說明磁盤分區情況。

結束標誌 (2B)

UEFI
現在說 BIOS，主要指的是 UEFI，而不是傳統的 BIOS。不管是傳統 BIOS 還是 UEFI，都是經過 ROM→RAM→BOOT 的過程，主幹是沒有區別的，那麼我們為什麼需要 UEFI 呢？
可以參考這個回答：UEFI 引導與 BIOS 引導在原理上有什麼區別？

三、Bootloader#

所謂的 Bootloader 程序就是用來加載操作系統內核文件到內存，這類程序的主要功能為：

從實模式到保護模式，從 16 位尋址空間到 32 位尋址空間，使能段機制。
從硬盤讀取 ELF 格式的 Kernel（就是跟在 MBR 後面的扇區）並放到內存中的固定位置，這個過程一般分兩步，最終是執行 boot 指令，即加載系統引導菜單 (/boot/grub/menu.lst或 grub.lst)，內核 vmlinuz 和 RAM 磁盤 initrd。
我們這裡以 GNU 的grub為例。grub 可用於選擇操作系統分區上的不同內核，也可用於向這些內核傳遞啟動參數。grub 被載入一般包括兩個步驟：
裝載基本引導程序 - stage1，其主要功能是裝載第二引導程序
裝載第二引導程序 - stage2，這第二引導裝載程序用於引出更高級的功能，以允許用戶裝載入一個特定的操作系統，在 grub 中，這步是給用戶一個顯示菜單或者讓用戶輸入命令，該階段引導的最終狀態是執行 boot 命令，將操作系統內核加載進入內存中，進而將控制權轉交給內核。
當內核加載完成後，內存被映射為：

四、Linux 內核設置和啟動#

Linux 內核啟動後，執行的一系列檢測，檢測完成後跳轉到 start_kernel 函數，這個函數會依次初始化各個模塊，比如頁表、中斷向量等，然後變成 0 號進程。

0 號進程會 fork 出 1 號 kernel_init 進程，kernel_init 會執行 init 程序，大致過程如下:

init 程序

init 進程讀取/etc/inittab文件，作用是設定 Linux 的運行等級，決定進程運行模式。

Linux 執行第一個用戶層文件/etc/rc.d/rc.sysinit，該文件功能包括：設定 PATH 運行變量、設定網絡配置、啟動 swap 分區、設定 /proc、系統函數等.

讀取/etc/modules.conf及/etc/modules.d目錄下的文件來加載系統內核模塊。

啟動一些服務，之後執行/etc/rc.d/rc.local文件。

最後執行 /bin/login 程序，啟動到登錄界面，讓用戶輸入用戶名和密碼。

完成用戶的啟動後，0 號進程進入 cpu_idle, 變成 idle 進程。到這 Linux 差不多就啟動好了。