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LK Note 02

SJTU-CS353 Linux Kernel

Refer to the slides of Prof. Quan Chen, Dept. of CSE, SJTU.

Lec 2. Linux Booting

（1）系统启动（System Startup）

  • Boot Sequence 是计算机加载操作系统的一系列操作

    1. Turn on
    2. CPU 跳转到特定 BIOS 地址（ROM 预加载到 RAM 0xffff0）
    3. BIOS 运行 POST 指令（Power-On Self Test）
    4. 寻找可启动设备（e.g. 磁盘）
    5. 从 MBR 中加载和执行启动扇区
    6. 加载 OS

  • BIOS（Basic I/O System）

    • 计算机加电启动后，首先执行的软件代码段
    • 嵌入在主板上的特定芯片中
    • 功能：识别和控制组成计算机的各种设备

（2）引导加载程序（BootLoader）

  • 主引导记录（Master Boot Record，MBR）

    • OS 从包含 MBR 的硬盘启动，而 MBR 包含 Master BootLoader（主引导加载程序）
    • MBR 是一个 512 B 的扇区，位于磁盘的第一个扇区
      • 如果一个硬盘的主引导扇区有故障，不能作为启动盘，但可以作为数据盘
    • MBR 加载到内存后，BIOS 将控制权交给 MBR

  • MBR 结构

    • 前 446 字节 —— 引导加载程序（BootLoader），包含可执行的代码，以及错误信息
      • 又称：Kernel 加载程序，主要任务是将 Linux Kernel 加载到内存中
      • 常见 Linux BootLoader：GRUB、LILO
    • 64 字节 —— 磁盘分区表，4 个分区中每一个均有一个记录项
    • 2 字节 —— Magic Number（0xaa55/0x55aa），检查 MBR 的有效性

  • GRUB
    • 与 OS 无关的 BootLoader
    • 启动流程
      • 从 Boot Sequence 的第 4 步 —— 寻找可启动设备开始
阶段 控制权 描述
1 BIOS BIOS 寻找可启动设备，将计算机控制权交给 MBR
2 MBR GRUB 阶段 1 ：由于 MBR 非常小（446 B），阶段 1 仅仅加载 GRUB 下一阶段的代码
3 MBR GRUB 阶段 1.5 ：阶段 1.5 代码位于硬盘上紧接着 MBR 后面的 30 KB 空间中，阶段 1.5 加载阶段 2 的代码
4 GRUB GRUB 阶段 2 ：得到计算机的控制权，向用户显示 GRUB 启动菜单，用户可以手动指定启动参数
5 Kernel GRUB 加载用户选择的/默认的 Kernel 到内存中，将控制权交给 Kernel

（3）内核加载

  • 内核映像（Kernel Image）
    • Kernel 常驻内存，直到关机
    • Kernel Image 不是一个可执行的 Kernel，而是一个压缩后的文件
      • Kernel Image 读取到内存后快速解压
      • 如果不压缩，则文件较大，读取时间长，而且嵌入式设备空间不足
      • zImage、bzImage 压缩后分别小于、大于 512 KB
    • 主要函数调用流程

（4）用户态启动：启动更多服务进程

  • 三种启动方式：SysV、Upstart、Systemd

  • Sys-V

    • init 进程（1 号进程）

      • 注意：idle 进程为 0 号进程（以前为 scheduler）
      • init 进程是 Linux 中所有进程的根进程（进程树的根节点），用来启动所有其它进程，关机时控制其它进程的回收顺序（处理父子进程依赖关系）
      • init 进程启动的第一个进程是：/etc/rc.d/rc.sysinit（启动守护进程）
      • 基于合适的运行级别，开始执行不同的脚本启动各种进程
        • init 进程启动 /etc/inittab 文件中所有需要启动的系统进程

    • 运行级别（Run-level）

      • /etc/rc.d/rc#.d 脚本（0-6）
        • 给定的运行级别，在启动和关闭时，运行的脚本文件
        • Run-level：3 —— rc3.d —— 多用户、命令行界面
        • Run-level：5 —— rc5.d —— 图形界面

    • init.d 目录

      • 守护进程（Daemon）：后台运行的进程
      • 管理员可以改变 init.d 目录的内容，来启动/停止特定的守护进程
      • /etc/rc.d/init.d or /etc/init.d

  • Upstart for Ubuntu

    • Event-Driven
    • Upstart 在感知到事件后触发相应等待任务，可以更快地启动系统，新硬件被发现时动态启动服务，硬件被拔除时动态停止服务

  • Systemd

    • 管理其它守护进程的守护进程
    • 替代 SysV 和 Upstart，提高启动速度
      • 大多数 Linux distribution 开始使用该方式，兼容 SysV
      • 按需启动，尽可能启动更少的进程，尽可能并行启动多个进程
    • 核心组件
      • systemd：Linux 的服务管理器
      • systemctl：监测和控制 systemd 的状态
      • systemd-analyze：检查系统启动性能以及统计信息
    • Systemd 使用 Target 代替了 Run-level 的概念，有 SysV Run-level 和 Systemd Target 的对应关系，例：
      • 3 <-> multi-user.target（多用户、命令行）
      • 5 <-> graphical.target（多用户、图形化）

（5）Linux Booting 源码分析

  • Linux 源码中的汇编代码（x86）

    • 完全的汇编代码：.S 文件
    • 嵌入在 C 程序中的汇编代码
    • x86 汇编采用 AT&T 格式：小写字母，寄存器名以 % 为前缀，源操作数在前，目标操作数在后
    • 访问内存指令的操作数大小：b（8）、w（16）、l（32）
    • 直接操作数以 $ 作为前缀

  • Linux Booting 指从系统加电到控制台显示登录的运行阶段，主要相关代码在 arch/i386/boot 中

    • bootsect.S：Linux 引导扇区源码
    • setup.S
    • video.S
    • compressed/
      • head.S、misc.S：用于 Kernel Image 的解压缩
    • 经过编译、汇编、链接形成 3 个部分：引导扇区映像 bootsect、辅助程序 setup、内核映像
    • 小映像 zImage，大映像 bzImage