稍有計算機基礎的人都應該聽過BIOS(Basic Input / Output System)，又稱基本輸入輸出系統，可以視為是一個永久地記錄在ROM中的一個軟體，是作業系統輸入輸出管理系統的一部分。早期的BIOS晶片確實是”只讀”的，裡面的內容是用一種燒錄器寫入的，一旦寫入就不能更改，除非更換晶片。現在的主機板都使用一種叫Flash EPROM的晶片來儲存系統BIOS，裡面的內容可通過使用主機板廠商提供的擦寫程式擦除後重新寫入，這樣就給使用者升級BIOS提供了極大的方便。

        BIOS的功能由兩部分組成，分別是POST碼和Runtime服務。POST階段完成後它將從儲存器中被清除，而Runtime服務會被一直保留，用於目標作業系統的啟動。BIOS兩個階段所做的詳細工作如下：

         步驟1：上電自檢POST(Power-on self test)，主要負責檢測系統外圍關鍵裝置（如：CPU、記憶體、顯示卡、I/O、鍵盤滑鼠等）是否正常。例如，最常見的是記憶體鬆動的情況，BIOS自檢階段會報錯，系統就無法啟動起來；

         步驟2：步驟1成功後，便會執行一段小程式用來列舉本地裝置並對其初始化。這一步主要是根據我們在BIOS中設定的系統啟動順序來搜尋用於啟動系統的驅動器，如硬碟、光碟、U盤、軟盤和網路等。我們以硬碟啟動為例，BIOS此時去讀取硬碟驅動器的第一個扇區(MBR，512位元組)，然後執行裡面的程式碼。實際上這裡BIOS並不關心啟動裝置第一個扇區中是什麼內容，它只是負責讀取該扇區內容、並執行。

至此，BIOS的任務就完成了，此後將系統啟動的控制權移交到MBR部分的程式碼。

        PS: 在個人電腦中，Linux的啟動是從0xFFFF0地址開始的。

• 系統引導

        磁碟分割槽表包含以下三部分：

        1）、Partition ID  （5：延申  82：Swap   83：Linux   8e：LVM     fd：RAID）

        2）、Partition起始磁柱

        3）、Partition的磁柱數量

       通常情況下，諸如lilo、grub這些常見的載入程式都直接安裝在MBR中。我們以grub為例來分析這個引導過程。

       grub引導也分為兩個階段stage1階段和stage2階段(有些較新的grub又定義了stage1.5階段)。

        1)、stage1：stage1是直接被寫入到MBR中去的，這樣機器一啟動檢測完硬體後，就將控制權交給了GRUB的程式碼。也就是上圖所看到的前446個位元組空間中存放的是stage1的程式碼。BIOS將stage1載入記憶體中0x7c00處並跳轉執行。stage1（/stage1/start.S）的任務非常單純，僅僅是將硬碟0頭0道2扇區讀入記憶體。而0頭0道2扇區內容是原始碼中的/stage2/start.S，編譯後512位元組，它是stage2或者stage1_5的入口。而此時，stage1是沒有識別檔案系統的能力的。如果感覺腦子有些暈了，那麼下面的過程就直接跳過，去看stage2吧！

        【外傳】定位硬碟的0頭0道2扇區的過程：

         BIOS將stage1載入記憶體0x7c00處並執行，然後呼叫BIOS INIT13中斷，將硬碟0頭0道2扇區內容載入記憶體0x7000處，然後呼叫copy_buffer將其轉移到記憶體0x8000處。在定位0頭0道2扇區時通常有兩種定址方式：LBA和CHS。如果你是刨根問底兒型的愛好者，那麼此時去找谷哥打聽打聽這兩種方式的來龍去脈吧。

         2)、stage2：嚴格來說這裡還應該再區分個stage1.5的，就一併把stage1.5放在這裡一起介紹了，免得大家看得心裡亂哄哄的。好的，我們繼續說0頭0到2扇區的/stage2/start.S檔案，當它的內容被讀入到記憶體之後，它的主要作用就是負責將stage2或stage1.5從硬碟讀到記憶體中。如果是stage2，它將被載入到0x820處；如果是stage1.5，它將被載入到0x2200處。這裡的stage2或者stage1_5不是/boot分割槽/boot/grub目錄下的檔案，因為這個時候grub還沒有能力識別任何檔案系統。

        ?  如果start.S載入stage1.5：stage1.5它存放在硬碟0頭0道3扇區向後的位置，stage1_5作為stage1和stage2中間的橋樑，stage1_5有識別檔案系統的能力，此後grub才有能力去訪問/boot分割槽/boot/grub目錄下的 stage2檔案，將stage2載入記憶體並執行。

        ?  如果start.S載入stage2：同樣，這個stage2也不是/boot分割槽/boot/grub目錄下的stage2，這個時候start.S讀取的是存放在/boot分割槽Boot Sector的stage2。這種情況下就有一個限制：因為start.S通過BIOS中斷方式直接對硬碟定址（而非通過訪問具體的檔案系統），其定址範圍有限，限制在8GB以內。因此這種情況需要將/boot分割槽分在硬碟8GB定址空間之前。

        假如是情形2，我們將/boot/grub目錄下的內容清空，依然能成功啟動grub；假如是情形1，將/boot/grub目錄下stage2刪除後，則系統啟動過程中grub會啟動失敗。

• 啟動核心

     當stage2被載入記憶體執行時，它首先會去解析grub的配置檔案/boot/grub/grub.conf，然後載入核心映象到記憶體中，並將控制權轉交給核心。而核心會立即初始化系統中各裝置並做相關的配置工作，其中包括CPU、I/O、儲存裝置等。

關於Linux的裝置驅動程式的載入，有一部分驅動程式直接被編譯進核心映象中，另一部分驅動程式則是以模組的形式放在initrd(ramdisk)中。

      Linux核心需要適應多種不同的硬體架構，但是將所有的硬體驅動編入核心又是不實際的，而且核心也不可能每新出一種硬體結構，就將該硬體的裝置驅動寫入核心。實際上Linux的核心映象僅是包含了基本的硬體驅動，在系統安裝過程中會檢測系統硬體資訊，根據安裝資訊和系統硬體資訊將一部分裝置驅動寫入 initrd 。這樣在以後啟動系統時，一部分裝置驅動就放在initrd中來載入。這裡有必要給大家再多介紹一下initrd這個東東：

       initrd 的英文含義是 bootloader initialized RAM disk，就是由 boot loader 初始化的記憶體盤。在 linu2.6核心啟動前，boot loader 會將儲存介質中的 initrd 檔案載入到記憶體，核心啟動時會在訪問真正的根檔案系統前先訪問該記憶體中的 initrd 檔案系統。在 boot loader 配置了 initrd 的情況下，核心啟動被分成了兩個階段，第一階段先執行 initrd 檔案系統中的init，完成載入驅動模組等任務，第二階段才會執行真正的根檔案系統中的 /sbin/init 程序。

      另外一個概念：initramfs

       initramfs 是在 kernel 2.5中引入的技術，實際上它的含義就是：在核心映象中附加一個cpio包，這個cpio包中包含了一個小型的檔案系統，當核心啟動時，核心將這個 cpio包解開，並且將其中包含的檔案系統釋放到rootfs中，核心中的一部分初始化程式碼會放到這個檔案系統中，作為使用者層程序來執行。這樣帶來的明顯的好處是精簡了核心的初始化程式碼，而且使得核心的初始化過程更容易定製。

疑惑的是：我的核心是2.6.32-71.el6.i686版本，但在我的/boot分割槽下面卻存在的是/boot/initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img型別的檔案，沒搞明白，還望高人解惑。我只知道在2.6核心中支援兩種格式的initrd，一種是2.4核心的檔案系統映象image-initrd，一種是cpio格式。接下來我們就來探究一下initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img裡到底放了那些東西。

    在tmp資料夾中解壓initrd.img裡的內容：

如果initrd.img檔案的格式顯示為“initrd.img:ISO 9660 CD-ROM filesystem data”，則可直接輸入命令“mount -o loop initrd.img /mnt/test”進行掛載。

         通過上的分析和我們的驗證，我們確實得到了這樣的結論：

         grub的stage2將initrd載入到記憶體裡，讓後將其中的內容釋放到內容中，核心便去執行initrd中的init指令碼，這時核心將控制權交給了init檔案處理。我們簡單瀏覽一下init指令碼的內容，發現它也主要是載入各種儲存介質相關的裝置驅動程式。當所需的驅動程式載入完後，會建立一個根裝置，然後將根檔案系統rootfs以只讀的方式掛載。這一步結束後，釋放未使用的記憶體，轉換到真正的根檔案系統上面去，同時執行/sbin/init程式，執行系統的1號程序。此後系統的控制權就全權交給/sbin/init程序了。

l  初始化系統

經過千辛萬苦的跋涉，我們終於接近黎明的曙光了。接下來就是最後一步了：初始化系統。/sbin/init程序是系統其他所有程序的父程序，當它接管了系統的控制權先之後，它首先會去讀取/etc/inittab檔案來執行相應的指令碼進行系統初始化，如設定鍵盤、字型，裝載模組，設定網路等。主要包括以下工作：

1)、執行系統初始化指令碼(/etc/rc.d/rc.sysinit)，對系統進行基本的配置，以讀寫方式掛載根檔案系統及其它檔案系統，到此係統算是基本執行起來了，後面需要進行執行級別的確定及相應服務的啟動。rc.sysinit所做的事情(不同的Linux發行版，該檔案可能有些差異)如下：

（1）獲取網路環境與主機型別。首先會讀取網路環境設定檔案”/etc/sysconfig/network”，獲取主機名稱與預設閘道器等網路環境。

（2）測試與載入記憶體裝置/proc及usb裝置/sys。除了/proc外，系統會主動檢測是否有usb裝置，並主動載入usb驅動，嘗試載入usb檔案系統。

（3）決定是否啟動SELinux。

（4）介面裝置的檢測與即插即用（pnp）引數的測試。

（5）使用者自定義模組的載入。使用者可以再”/etc/sysconfig/modules/*.modules”加入自定義的模組，此時會載入到系統中。

（6）載入核心的相關設定。按”/etc/sysctl.conf”這個檔案的設定值配置功能。

（7）設定系統時間（clock）。

（8）設定終端的控制檯的字形。

（9）設定raid及LVM等硬碟功能。

（10）以方式檢視檢驗磁碟檔案系統。

（11）進行磁碟配額quota的轉換。

（12）重新以讀取模式載入系統磁碟。

（13）啟動quota功能。

（14）啟動系統隨機數裝置（產生隨機數功能）。

（15）清楚啟動過程中的臨時檔案。

（16）將啟動資訊載入到”/var/log/dmesg”檔案中。

 當/etc/rc.d/rc.sysinit執行完後，系統就可以順利工作了，只是還需要啟動系統所需要的各種服務，這樣主機才可以提供相關的網路和主機功能，因此便會執行下面的指令碼。

2)、執行/etc/rc.d/rc指令碼。該檔案定義了服務啟動的順序是先K後S，而具體的每個執行級別的服務狀態是放在/etc/rc.d/rc*.d（*=0~6）目錄下，所有的檔案均是指向/etc/init.d下相應檔案的符號連結。rc.sysinit通過分析/etc/inittab檔案來確定系統的啟動級別，然後才去執行/etc/rc.d/rc*.d下的檔案。

/etc/init.d-> /etc/rc.d/init.d

/etc/rc ->/etc/rc.d/rc

/etc/rc*.d ->/etc/rc.d/rc*.d

/etc/rc.local-> /etc/rc.d/rc.local

/etc/rc.sysinit-> /etc/rc.d/rc.sysinit

也就是說，/etc目錄下的init.d、rc、rc*.d、rc.local和rc.sysinit均是指向/etc/rc.d目錄下相應檔案和資料夾的符號連結。我們以啟動級別3為例來簡要說明一下。

/etc/rc.d/rc3.d目錄，該目錄下的內容全部都是以 S 或 K 開頭的連結檔案，都連結到”/etc/rc.d/init.d”目錄下的各種shell指令碼。S表示的是啟動時需要start的服務內容，K表示關機時需要關閉的服務內容。/etc/rc.d/rc*.d中的系統服務會在系統後臺啟動，如果要對某個執行級別中的服務進行更具體的定製，通過chkconfig命令來操作，或者通過setup、ntsys、system-config-services來進行定製。如果我們需要自己增加啟動的內容，可以在init.d目錄中增加相關的shell指令碼，然後在rc*.d目錄中建立連結檔案指向該shell指令碼。這些shell指令碼的啟動或結束順序是由S或K字母后面的數字決定，數字越小的指令碼越先執行。例如，/etc/rc.d/rc3.d /S01sysstat就比/etc/rc.d/rc3.d /S99local先執行。

3)、執行使用者自定義載入程式/etc/rc.d/rc.local。其實當執行/etc/rc.d/rc3.d/S99local時，它就是在執行/etc/rc.d/rc.local。S99local是指向rc.local的符號連結。就是一般來說，自定義的程式不需要執行上面所說的繁瑣的建立shell增加連結檔案的步驟，只需要將命令放在rc.local裡面就可以了，這個shell指令碼就是保留給使用者自定義啟動內容的。

4)、完成了系統所有的啟動任務後，linux會啟動終端或X-Window來等待使用者登入。tty1,tty2,tty3…這表示在執行等級1，2，3，4的時候，都會執行”/sbin/mingetty”，而且執行了6個，所以linux會有6個純文字終端，mingetty就是啟動終端的命令。

除了這6個之外還會執行”/etc/X11/prefdm-nodaemon”這個主要啟動X-Window

至此，系統就啟動完畢了。以上分析不到的地方還請各位大蝦不吝指正。

關於Linux的其他分析內容下次再繼續寫。

最後附上一張非常完整的系統啟動流程圖，適合各個水平階段的讀者。

參考文獻：