【Linux内核】Linux系统启动之旅

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理解Linux的启动过程，就像阅读一本精彩的侦探小说，线索环环相扣。为了让这个故事更清晰，我们先用一个表格来梳理从电脑开机到系统就绪的全过程中，几个关键“角色”的登场顺序和核心任务：

阶段顺序	阶段名称	核心任务与关键组件
1	固件初始化 (BIOS/UEFI)	硬件自检(POST)，查找并加载引导程序
2	引导加载程序 (Boot Loader)	加载内核与初始化内存盘(initramfs)，如GRUB2
3	内核初始化 (Kernel)	初始化系统核心功能，驱动硬件，创建第一个用户进程
4	初始化系统 (Init System)	接管启动过程，启动系统服务，如systemd
5	用户登录 (User Login)	提供登录界面，完成用户认证，启动用户会话

下面，我们就从最初的Linux版本开始，详细讲述这段“旅程”的演进。

⏳ 原始版本的启动之旅

早期Linux内核（如0.11版本）的启动过程紧密依赖于x86架构的实模式，过程非常精巧，可以看作是一段“自我复制”和“模式切换”的舞蹈。

1. BIOS与引导扇区 (bootsect.s)
   计算机加电后，CPU运行在实模式下。BIOS（基本输入输出系统）首先进行硬件自检，然后将硬盘第一个扇区（引导扇区）的内容载入内存地址0x7C00处，并将控制权交给这里的代码——由bootsect.s汇编程序编译而成。它的首要任务是将自己从0x7C00搬运到更安全的0x90000地址，为后续代码腾出空间。

2. setup.s：数据收集与模式切换
   bootsect.s接着将紧随其后的setup.s模块（负责读取内存大小、磁盘参数等机器系统数据）和更大的system模块（包含内核主体）加载到内存中。随后跳转到setup.s执行。setup.s的主要职责包括：

   • 获取硬件参数：利用BIOS中断获取系统硬件信息。
   • 准备保护模式：开启A20地址线以访问1MB以上的内存，然后设置关键数据结构全局描述符表（GDT） 和中断描述符表（IDT） 的寄存器。
   • 切换至保护模式：通过设置控制寄存器CR0的PE位，CPU从16位实模式切换到32位保护模式，从而能够访问更大的内存空间并使用虚拟内存等高级功能。之后通过一个长跳转，正式进入保护模式下的代码执行。

3. head.s：内核的正式入口
   跳转后，执行的是system模块最前端的head.s。可以把它看作是内核在保护模式下的“入口仪式”，主要负责：

   • 重新设置GDT和IDT。
   • 初始化内存分页机制，为内核建立简单的页表，实现线性地址到物理地址的映射。
   • 完成这些最底层的初始化后，head.s会调用main.c中的main()函数，内核正式进入用C语言书写的主初始化阶段。

4. main.c与init：用户态的起点
   在main()函数中，内核进行了大量初始化工作：陷阱门、中断处理、块设备驱动、内存管理、调度程序等。所有这些完成后，内核会手动切换到用户态，创建出系统的第一个进程——进程0（PID 0），然后通过fork系统调用创建进程1（PID 1），进程1通常执行init程序，从而开启用户空间，最终提供一个Shell界面供用户交互。

🔄 关键的技术演进

随着硬件和应用需求的变化，Linux的启动流程也发生了显著演变。

1. 引导加载程序的统一：GRUB的出现
   早期需要手动将bootsect.s和setup.s写入磁盘引导扇区，繁琐且易出错。功能强大、配置灵活的GRUB等引导加载程序的出现，接管了bootsect.s和setup.s的绝大部分职责。它能够直接识别文件系统，加载压缩的内核镜像，并自行完成保护模式切换等复杂任务，大大简化了启动配置。

2. 固件接口的革新：从BIOS到UEFI

   • 传统BIOS：功能简单，存在启动速度慢、不支持大硬盘（2TB限制）、安全性差等局限性。
   • 现代UEFI：取代了传统BIOS，提供了更快的启动速度、图形化预启动环境、安全启动机制以及对GPT分区表的原生支持，从而突破了2TB硬盘的限制。现在的GRUB2通常作为一个EFI应用程序存放在EFI系统分区中，由UEFI固件直接加载。

3. 初始化系统的现代化：从SysV init到systemd

   • SysV init：传统的初始化系统，采用顺序、串行的脚本启动方式，启动速度较慢。
   • systemd：现代Linux发行版广泛采用的初始化系统。它采用并行启动服务的方式，大幅提升启动速度；使用单元文件进行服务管理和依赖关系控制，功能更强大。systemd作为第一个用户进程（PID 1）启动，并管理整个系统的服务生命周期。

🚀 现代Linux的启动流程

现代的Linux启动流程可以概括为：

1. UEFI/BIOS初始化：硬件自检并加载引导程序。
2. 引导加载程序（GRUB2）阶段：UEFI从ESP分区加载GRUB2的EFI应用程序。GRUB2加载核心内核镜像vmlinuz和初始内存文件系统initramfs到内存。initramfs是一个临时的根文件系统，包含了启动早期所必需的内核模块（如磁盘控制器、文件系统驱动），确保内核能够访问真正的根文件系统。
3. 内核初始化：内核解压自身并初始化。内核挂载initramfs，并执行其中的/init脚本，加载必要的驱动模块。找到真正的根文件系统后，将其挂载，并卸载initramfs。内核启动第一个用户空间进程，在现代系统中通常是systemd（PID 1）。
4. systemd初始化阶段：systemd接管后续启动过程，并行启动系统服务，并建立指定的目标，如图形界面或命令行界面，最终启动登录管理器或终端，等待用户登录。

💎 总结

Linux的启动过程是一部从“简单直接”到“强大稳健”的演进史。

• 原始版本的启动过程紧密依赖硬件，展现了操作系统如何“白手起家”的精妙控制。
• 现代版本则在继承核心思想的基础上，通过UEFI、GRUB2、systemd等组件，实现了更快的速度、更强的功能与更好的安全性。

希望这篇文章能帮助你清晰地理解Linux的启动机制。如果你对某个特定阶段或组件有更深入的兴趣，我们可以继续探讨。