前言

​ 本章节将讨论一下Linux如何去做初始化。

一、全局流程

​ 在机器加电后，BIOS 会进行自检，然后由 BIOS 加载引导设备中引导扇区。在安装有 Linux 操作系统的情况下，在引导扇区里，通常是安装的 GRUB 的一小段程序（安装 windows 的情况则不同）。最后，GRUB 会加载 Linux 的内核映像 vmlinuz，如下图所示：

二、从BIOS到GRUB

​ 内存在断电后就没法保存数据了，那 BIOS 又是如何启动的呢？硬件工程师设计 CPU 时，硬性地规定在加电的瞬间，强制将 CS 寄存器的值设置为 0XF000，IP 寄存器的值设置为 0XFFF0。

​ 这样一来，CS:IP 就指向了 0XFFFF0 这个物理地址。在这个物理地址上连接了主板上的一块小的 ROM 芯片。这种芯片的访问机制和寻址方式和内存一样，只是它在断电时不会丢失数据，在常规下也不能往这里写入数据，它是一种只读内存，BIOS 程序就被固化在该 ROM 芯片里。

​ 现在，CS:IP 指向了 0XFFFF0 这个位置，正是 BIOS 程序的入口地址。这意味着 BIOS 正式开始启动。

​ BIOS 一开始会初始化 CPU，接着检查并初始化内存，然后将自己的一部分复制到内存，最后跳转到内存中运行。BIOS 的下一步就是枚举本地设备进行初始化，并进行相关的检查，检查硬件是否损坏，这期间 BIOS 会调用其它设备上的固件程序，如显卡、网卡等设备上的固件程序。当设备初始化和检查步骤完成之后，BIOS 会在内存中建立中断表和中断服务程序，这是启动 Linux 至关重要的工作，因为 Linux 会用到它们。

​ 具体是怎么操作的呢？BIOS 会从内存地址（0x00000）开始用 1KB 的内存空间（0x00000~0x003FF）构建中断表，在紧接着中断表的位置，用 256KB 的内存空间构建 BIOS 数据区（0x00400~0x004FF），并在 0x0e05b 的地址加载了 8KB 大小的与中断表对应的中断服务程序。中断表中有 256 个条目，每个条目占用 4 个字节，其中两个字节是 CS 寄存器的值，两个字节是 IP 寄存器的值。每个条目都指向一个具体的中断服务程序。

​ Linux 通常是从硬盘中启动的。硬盘上的第 1 个扇区（每个扇区 512 字节空间），被称为 MBR（主启动记录），其中包含有基本的 GRUB 启动程序和分区表，安装 GRUB 时会自动写入到这个扇区，当 MBR 被 BIOS 装载到 0x7c00 地址开始的内存空间中后，BIOS 就会将控制权转交给了 MBR。在当前的情况下，其实是交给了 GRUB。

​ 到这里，BIOS 到 GRUB 的过程结束。

三、GRUB是如何启动的

​ GRUB 的加载分成了多个步骤，同时 GRUB 也分成了多个文件，其中有两个重要的文件 boot.img 和 core.img。

​ 其中，boot.img 被 GRUB 的安装程序写入到硬盘的 MBR 中，同时在 boot.img 文件中的一个位置写入 core.img 文件占用的第一个扇区的扇区号。而 core.img 文件是由 GRUB 安装程序根据安装时环境信息，用其它 GRUB 的模块文件动态生成。如下图所示：

​ 如果是从硬盘启动的话，core.img 中的第一个扇区的内容就是 diskboot.img 文件。diskboot.img 文件的作用是，读取 core.img 中剩余的部分到内存中。

​ 由于这时 diskboot.img 文件还不识别文件系统，所以我们将 core.img 文件的全部位置，都用文件块列表的方式保存到 diskboot.img 文件中。这样就能确保 diskboot.img 文件找到 core.img 文件的剩余内容，最后将控制权交给 kernel.img 文件。

​ 因为这时 core.img 文件中嵌入了足够多的功能模块，所以可以保证 GRUB 识别出硬盘分区上文件系统，能够访问 /boot/grub 目录，并且可以加载相关的配置文件和功能模块，来实现相关的功能，例如加载启动菜单、加载目标操作系统等。

​ 正因为 GRUB2 大量使用了动态加载功能模块，这使得 core.img 文件的体积变得足够小。而 GRUB 的 core.img 文件一旦开始工作，就可以加载 Linux 系统的 vmlinuz 内核文件了。

四、详解vmlinuz文件结构

​ 我们在 /boot 目录下会发现 vmlinuz 文件，其实它是由 Linux 编译生成的 bzImage 文件复制而来的。

​ 生成 bzImage 文件需要三个依赖文件：setup.bin、vmlinux.bin，linux/arch/x86/boot/tools 目录下的 build。让我们挨个来分析一下。

​ 其实，build 只是一个 HOSTOS（正在使用的 Linux）下的应用程序，它的作用就是将 setup.bin、vmlinux.bin 两个文件拼接成一个 bzImage 文件，如下图所示：

​ 剩下的就是搞清楚 setup.bin、vmlinux.bin 这两个文件的的结构，先来看看 setup.bin 文件，setup.bin 文件是由 objcopy 命令根据 setup.elf 生成的。

​ setup.bin 文件正是由 /arch/x86/boot/ 目录下一系列对应的程序源代码文件编译链接产生，其中的 head.S 文件和 main.c 文件格外重要。

​ vmlinux.bin 文件依赖于 linux/arch/x86/boot/compressed/ 目录下的 vmlinux 目标

​ vmlinux 文件就是编译整个 Linux 内核源代码文件生成的，Linux 的代码分布在各个代码目录下，这些目录之下又存在目录，Linux 的 kbuild（内核编译）系统，会递归进入到每个目录，由该目录下的 Makefile 决定要编译哪些文件。

​ 在编译完具体文件之后，就会在该目录下，把已经编译了的文件链接成一个该目录下的 built-in.o 文件，这个 built-in.o 文件也会与上层目录的 built-in.o 文件链接在一起。

​ 再然后，层层目录返回到顶层目录，所有的 built-in.o 文件会链接生成一个 vmlinux 文件，这个 vmlinux 文件会通过前面的方法转换成 vmlinux.bin 文件。但是请注意，vmlinux.bin 文件它依然是 ELF 格式的文件。

​ 最后，工具软件会压缩成 vmlinux.bin.gz 文件，这里我们以 gzip 方式压缩。

​ piggy.S 非常简单，使用汇编指令 incbin 将压缩的 vmlinux.bin.gz 毫无修改地包含进来。

​ 除了包含了压缩的 vmlinux.bin.gz 内核映像文件外，piggy.S 中还定义了解压 vmlinux.bin.gz 时需要的各种信息，包括压缩内核映像的长度、解压后的长度等信息。

​ 这些信息和 vmlinux.bin.gz 文件，它们一起生成了 piggy.o 文件，然后 piggy.o 文件和$(vmlinux-objs-y)$(efi-obj-y) 中的目标文件一起链接生成，最终生成了 linux/arch/x86/boot/compressed 目录下的 vmlinux。

五、流程梳理-1

操作系统的启动分为两个阶段：引导boot和启动startup，本节主要还是boot过程：
BIOS->GRUG1->GRUB1.5->GRUB2->Linux内核【环境硬盘引导、MBR分区】

1、按电源键，系统加电

2、主板通电
CPU加电时，会默认设置[CS:IP]为[0XF000:0XFFF0]，根据实模式下寻址规则，CPU指向0XFFFF0
这个地址正是BIOS启动程序位置，而BIOS访问方式与内存一致，所以CPU可以直接读取命令并执行

3、BIOS执行
3.1、BIOS首先执行POST自检，包括主板、内存、外设等，遇到问题则报警并停止引导

3.2、BIOS对设备执行简单的初始化工作

3.3、BIOS 会在内存中：
建立中断表（0x00000~0x003FF）
构建 BIOS 数据区（0x00400~0x004FF）
加载了中断服务程序（0x0e05b~0x1005A）

3.4、BIOS根据设备启动顺序，依次判断是否可以启动
比如先检查光驱能否启动
然后依次检查硬盘是否可以启动【硬盘分区的时候，设置为活动分区】

4、硬盘引导
4.1、先说下寻址方式，与扇区编号的事情
最传统的磁盘寻址方式为CHS，由三个参数决定读取哪个扇区：磁头（Heads）、柱面(Cylinder)、扇区(Sector)
磁头数【8位】，从0开始，最大255【微软DOS系统，只能用255个】，决定了读取哪个盘片的哪个面【一盘两面】
柱面数【10位】，从0开始，最大1023【决定了读取哪个磁道，磁道无论长短都会划分为相同扇区数】
扇区数【6位】，从1开始，最大数 63【CHS中扇区从1开始，而逻辑划分中扇区从0开始，经常会造成很多误解】
每个扇区为512字节

4.2、然后说下引导方式
BIOS在发现硬盘启动标志后，BIOS会引发INT 19H中断
这个操作，会将MBR【逻辑0扇区】，也就是磁盘CHS【磁头0，柱面0，扇区1】，读取到内存[0:7C00h]，然后执行其代码【GRUB1阶段】，至此BIOS把主动权交给了GRUB1阶段代码
MBR扇区为512字节，扇区最后分区表至少需要66字节【64字节DPT+2字节引导标志】，所以这段代码最多只能有446字节，grub中对应的就是引导镜像boot.img
boot.img的任务就是，定位，并通过BIOS INT13中断读取1.5阶段代码，并运行

5、Grub1.5阶段
5.1、先说一下MBR GAP
据说微软DOS系统原因，第一个分区的起始逻辑扇区是63扇区，在MBR【0扇区】和分布表之间【63扇区】，存在62个空白扇区，共 31KB。
Grub1.5阶段代码就安装在这里。

5.2、上面提到，boot.img主要功能就是找到并加载Grub1.5阶段代码，并切换执行。
Grub1.5阶段代码是core.img，其主要功能就是加载文件系统驱动，挂载文件系统， 位加载并运行GRUB2阶段代码。
core.img包括多个映像和模块：
diskboot.img【1.5阶段引导程序】，存在于MBR GAP第一个扇区；【这里是硬盘启动的情况，如果是cd启动就会是cdboot.img】
lzma_decompress.img【解压程序】
kernel.img【grub核心代码】，会【压缩存放】
biosdisk.mod【磁盘驱动】、Part_msdos.mod【MBR分区支持】、Ext2.mod【EXT文件系统】等，会【压缩存放】

其实boot.img只加载了core.img的第一个扇区【存放diskboot.img】，然后控制权就交出去了，grub阶段1代码使命结束。
diskboot.img知道后续每个文件的位置，会继续通过BIOS中断读取扇区，加载余下的部分并转交控制权，包括：
加载lzma_decompress.img，从而可以解压被压缩的模块
加载kernel.img，并转交控制权给kernel.img
kernel.img的grub_main函数会调用grub_load_modules函数加载各个mod模块
加载各个mod后，grub就支持文件系统了，访问磁盘不需要再依靠BIOS的中断以扇区为单位读取了，终于可以使用文件系统了

6、GRUB2阶段
现在grub就能访问boot/grub及其子目录了
kernel.img接着调用grub_load_normal_mode加载normal模块
normal模块读取解析文件grub.cfg，查看有哪些命令，比如发现了linux、initrd这几个命令，需要linux模块
normal模块会根据command.lst，定位并加载用到的linux模块【一般在/boot/grub2/i386-pc目录】
当然，同时需要完成初始化显示、载入字体等工作
接下来Grub就会给咱们展示启动菜单了

7、选择启动菜单
7.1、引导协议
引导程序加载内核，前提是确定好数据交换方式，叫做引导协议，内核中引导协议相关部分的代码在arch/x86/boot/header.S中，内核会在这个文件中标明自己的对齐要求、是否可以重定位以及希望的加载地址等信息。同时也会预留空位，由引导加载程序在加载内核时填充，比如initramfs的加载位置和大小等信息。
引导加载程序和内核均为此定义了一个结构体linux_kernel_params，称为引导参数，用于参数设定。Grub会在把控制权移交给内核之前，填充好linux_kernel_params结构体。如果用户要通过grub向内核传递启动参数，即grub.cfg中linux后面的命令行参数。Grub也会把这部分信息关联到引导参数结构体中。

7.2、开始引导
Linux内核的相关文件位于/boot 目录下，文件名均带有前缀 vmlinuz。
咱们选择对应的菜单后，Grub会开始执行对应命令，定位、加载、初始化内核，并移交到内核继续执行。
调用linux模块中的linux命令，加载linux内核
调用linux模块中的initrd命令，填充initramfs信息，然后Grub会把控制权移交给内核。
内核此时开始执行，同时也就可以读取linux_kernel_params结构体的数据了
boot阶段结束，开始进入startup阶段。

六、内核初始化从_start开始

​ 下面，我们先从 setup.bin 文件的入口 _start 开始，了解启动信息结构，接着由 16 位 main 函数切换 CPU 到保护模式，然后跳入 vmlinux.bin 文件中的 startup_32 函数重新加载段描述符。如果是 64 位的系统，就要进入 startup_64 函数，切换到 CPU 到长模式，最后调用 extract_kernel 函数解压 Linux 内核，并进入内核的 startup_64 函数，由此 Linux 内核开始运行。

​ vmlinux.bin.gz 文件则是由编译的 Linux 内核所生成的 elf 格式的 vmlinux 文件，去掉了文件的符号信息和重定位信息后，压缩得到的。

​ CPU 是无法识别压缩文件中的指令直接运行的，必须先进行解压后，然后解析 elf 格式的文件，把其中的指令段和数据段加载到指定的内存空间中，才能由 CPU 执行。

​ 这就需要用到前面的 setup.bin 文件了，_start 正是 setup.bin 文件的入口。

​ GRUB 将 vmlinuz 的 setup.bin 部分读到内存地址 0x90000 处，然后跳转到 0x90200 开始执行，恰好跳过了前面 512 字节的 bootsector，从 _start 开始。

​ 16 位的 main 函数,各种初始化后，会跳到0x100000，GRUB 会把 vmlinuz 中的 vmlinux.bin 部分，放在 1MB 开始的内存空间中。通过这一跳转，正式进入 vmlinux.bin 中。

​ startup_32 函数，重新加载段描述符，之后计算 vmlinux.bin 文件的编译生成的地址和实际加载地址的偏移，然后重新设置内核栈，检测 CPU 是否支持长模式，接着再次计算 vmlinux.bin 加载地址的偏移，来确定对其中 vmlinux.bin.gz 解压缩的地址。

​ 如果 CPU 支持长模式的话，就要设置 64 位的全局描述表，开启 CPU 的 PAE 物理地址扩展特性。再设置最初的 MMU 页表，最后开启分页并进入长模式，跳转到 startup_64

​ startup_64 函数，初始化长模式下数据段寄存器，确定最终解压缩地址，然后拷贝压缩 vmlinux.bin 到该地址，跳转到 decompress_kernel 地址处，开始解压 vmlinux.bin.gz

​ kernel startup_64，这是内核中开始函数，最后就是调用x86_64_start_kernel 函数，然后就是start_kernel函数了

​ start_kernel 函数

各种初始化，start_kernel 函数执行完成，Linux 内核就具备了向应用程序提供一系列功能服务的能力。

​ 最后执行了arch_call_rest_init函数，第一个进程

七、流程梳理-2

Grub在/boot目录下找到的linux内核，是bzImage格式
1、bzImage格式生成：
1.1、head_64.S+其他源文件->编译-> vmlinux【A】
1.2、objcopy工具拷贝【 拷贝时，删除了文件中“.comment”段，符号表和重定位表】->vmlinux.bin【A】
1.3、gzib压缩->vmlinux.bin.gz
1.4、piggy打包，附加解压信息->piggy.o->其他.o文件一起链接->vmlinux【B】
1.5、objcopy工具拷贝【 拷贝时，删除了文件中“.comment”段，符号表和重定位表】->vmlinux【B】
1.6、head.S +main.c+其他->setup.bin
1.7、setup.bin+vmlinux.bin【B】->bzImage合并->bzImage

2、GRUB加载bzImage文件
2.1、会将bzImage的setup.bin加载到内存地址0x90000 处
2.2、把vmlinuz中的vmlinux.bin部分，加载到1MB 开始的内存地址

3、GRUB会继续执行setup.bin代码，入口在header.S【arch/x86/boot/header.S】
GRUB会填充linux内核的一个setup_header结构，将内核启动需要的信息，写入到内核中对应位置，而且GRUB自身也维护了一个相似的结构。
Header.S文件中从start_of_setup开始，其实就是这个setup_header的结构。
此外， bootparam.h有这个结构的C语言定义，会从Header.S中把数据拷贝到结构体中，方便后续使用。

4、GRUB然后会跳转到 0x90200开始执行【恰好跳过了最开始512 字节的 bootsector】，正好是head.S的_start这个位置；

5、在head.S最后，调用main函数继续执行

6、main函数【 arch/x86/boot/main.c】【16 位实模式】
6.1、拷贝header.S中setup_header结构，到boot_params【arch\x86\include\uapi\asm\bootparam.h】
6.2、调用BIOS中断，进行初始化设置，包括console、堆、CPU模式、内存、键盘、APM、显卡模式等
6.3、调用go_to_protected_mode进入保护模式

7、 go_to_protected_mode函数【 arch/x86/boot/pm.c】
7.1、安装实模式切换钩子
7.2、启用1M以上内存
7.3、设置中断描述符表IDT
7.4、设置全局描述符表GDT
7.4、protected_mode_jump，跳转到boot_params.hdr.code32_start【保护模式下，长跳转，地址为 0x100000】

8、恰好是vmlinux.bin在内存中的位置，通过这一跳转，正式进入vmlinux.bin

9、startup_32【 arch/x86/boot/compressed/head64.S】
全局描述符GDT
加载段描述符
设置栈
检查CPU是否支持长模式
开启PAE
建立MMU【4级，4G】
开启长模式
段描述符和startup_64地址入栈
开启分页和保护模式
弹出段描述符和startup_64地址到CS：RIP中，进入长模式

10、 startup_64【 arch/x86/boot/compressed/head64.S】
初始化寄存器
初始化栈
调准给MMU级别
压缩内核移动到Buffer最后
调用.Lrelocated

11、.Lrelocated
申请内存
被解压数据开始地址
被解压数据长度
解压数据开始地址
解压后数据长度
调用 extract_kernel解压内核

12、extract_kernel解压内核【 arch/x86/boot/compressed/misc.c】
保存boot_params
解压内核
解析ELF，处理重定向， 把 vmlinux 中的指令段、数据段、BSS 段，根据 elf 中信息和要求放入特定的内存空间
返回了解压后内核地址，保存到%rax

13、返回到.Lrelocated继续执行
跳转到%rax【解压后内核地址】，继续执行
解压后的内核文件，入口函数为【arch/x86/kernel/head_64.S】

14、SYM_CODE_START_NOALIGN(startup_64)【arch/x86/kernel/head_64.S】
SMP 系统加电之后，总线仲裁机制会选出多个 CPU 中的一个 CPU，称为 BSP，也叫第一个 CPU。它负责让 BSP CPU 先启动，其它 CPU 则等待 BSP CPU 的唤醒。
第一个启动的 CPU，会跳转 secondary_startup_64 函数中 1 标号处，对于其它被唤醒的 CPU 则会直接执行 secondary_startup_64 函数。

15、secondary_startup_64 函数【arch/x86/kernel/head_64.S】
各类初始化工作，gdt、描述符等
跳转到initial_code，也就是x86_64_start_kernel

16、 x86_64_start_kernel【 arch/x86/kernel/head64.c】
各类初始化工作，清理bss段，清理页目录，复制引导信息等
调用x86_64_start_reservations

17、x86_64_start_reservations【 arch/x86/kernel/head64.c】
调用start_kernel();

18、start_kernel【 init/main.c】
各类初始化：ARCH、日志、陷阱门、内存、调度器、工作队列、RCU锁、Trace事件、IRQ中断、定时器、软中断、ACPI、fork、缓存、安全、pagecache、信号量、cpuset、cgroup等等
调用 arch_call_rest_init，调用到rest_init

19、rest_init【 init/main.c】
kernel_thread，调用_do_fork，创建了kernel_init进程，pid=1 . 是系统中所有其它用户进程的祖先
kernel_thread，调用_do_fork，创建了 kernel_thread进程，pid=2， 负责所有内核线程的调度和管理
【最后当前的进程， 会变成idle进程，pid=0】

20、kernel_init
根据内核启动参数，调用run_init_process，创建对应进程
调用try_to_run_init_process函数，尝试以 /sbin/init、/etc/init、/bin/init、/bin/sh 这些文件为可执行文件建立init进程，只要其中之一成功就可以

调用链如下：
try_to_run_init_process
run_init_process
kernel_execve
bprm_execve
exec_binprm
search_binary_handler-》依次尝试按各种可执行文件格式进行加载，而ELF的处理函数为 load_elf_binary
load_elf_binary
start_thread
start_thread_common，会将寄存器地址，设置为ELF启动地址
当从系统调用返回用户态时，init进程【1号进程】，就从ELF执行了

到此为止，系统的启动过程结束。

Linux启动流程：

思维导图：

参考资料

以上内容是我学习彭东老师的《操作系统实战45讲》后所进行的一个笔记记录，如有错误，还请各位大佬多多指教。

我主要参考了以下资料，十分感谢：

操作系统实战45讲——彭东老师

评论区大佬——neohope、艾恩凝等