Linux 引导加载学习笔记

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Kernel

Linux Ubuntu 嵌入式脚本 Flash

本文以是我的学习记录，其中一些文字和图片来自参考资料所列文档，感谢作者对其知识和分享！

最近在自学 Linux kernel 方面的东西，这两天了粗浅的研究了下 kernel boot 过程，在此记录。这里所指 Linux 引导加载未涉及虚拟化环境，即系统未运行在 hypervisor 之上。

Linux 通过执行不同阶段的引导加载程序（boot loader）程序来引导操作系统，在完成内核等引导之后，最终会由调度器接管 CPU，其通过启用中断来周期性的抢占控制权，处理多个用户进程/客户进程（kvm 虚拟化）。Top level 的引导过程如下图。

Top level boot loader

整个 Linux 系统引导共分 5 步执行操作：

BIOS/BootMonitor 引导程序；BIOS 包括 POST 和 Runtime 服务。
被称为第一阶段的 MBR （Master boot record）引导程序；位于 BIOS 配置的启动磁盘 0 柱面 1 扇区的主引导记录，用于启动第二阶段的 linux boot loader。
被称为第二阶段的 linux boot loader；主要有 LILO （Linux loader）和 GNU GRUB （Grand unified boot loader）两种 boot loader 程序，现主流为 GRUB。最后会将默认的内核映像和 initrd 映像加载到内存中。
linux kernel （及 initrd 函数）引导；负责初使化、解压 zImage/bzImage kernel 及 gzip/cpio initrd 映像，并开始执行 kernel 初使化和引导程序/过程，最后会创建 RAM 盘，加载 initrd 并执行 init 脚本，通过 LKM （linux kernel module）加载本地磁盘等驱动程序来挂载磁盘中的 root 文件系统。RAM 盘中是个完整的小型 linux 环境，在没有磁盘的嵌入式环境中，initrd 可以是最终的根文件系统，也可以通过 NFS 来挂载最终的文件系统。
init 进程。用于启动 linux 配置的各项用户空间服务（demon）进程。

加电后首先被执行的是 BIOS （Base input/output system）程序。 嵌入式环境使用 boot monitor，它负责在一个位于 rom/flash 中预定地址开始执行引导程序，而在 PC 环境中这个启动地址是 0xFFFF0，相对来讲 BIOS 提供了更多的配置功能。它主要由两部分组成：

POST （Power On Self Test）程序；其负责接通电源时对硬件检测，包括创建中断向量、设置寄存器、对一些外部设备进行初始化和检测等。
BIOS Runtime 服务；负责为操作系统提供一些基础服务，主要与IO外设有关。

当 BIOS POST 执行完后，其将会从内存中清理，而 Runtime 服务会常驻内存，为操作系统提供一些底层的支持。最后 BIOS 将控制权交给称为第一阶段引导程序的 MBR （Master boot record）程序。

接下来执行的 MBR 是一个512 byte 固定大小的映像。 包括 446 byte 长的被称为初始程序加裁程序（Initial program loader, IPL）的可执行代码和 64 byte 分区表（16 byte * 4 个），最后以 0xaa55 特殊字节结束。如下图所示。

MBR

MBR 引导程序会将扫描分区表，获得唯一活动分区后，将其中的引导程序读入 RAM 并开始执行。

MBR 启动的引导程序被称为第二阶段引导程序，它是引导的主体，是引导加载的真正部分。 Linux 中该阶段有两个流行的程序，LILO （较老）和 GRUB。如果安装了 lilo 程序，可以通过 root 用户执行如下命令来通过 lilo 生成默认配置的 MBR ，并写入到启动磁盘 0 柱面 1扇区位置上。

# /sbin/lilo -v -v

一般需要修改 lilo 的配置文件，使生成的 MBR 有效。位于 /etc/lilo.conf 。lilo 配置示例。

boot=/dev/hda
map=/boot/map
install=/boot/boot.b
prompt
timeout=100
compact
default=Linux
image=/boot/vmlinuz-2.4.18-14
	label=Linux
	root=/dev/hdb3
	read-only
	password=linux
other=/dev/hda
	label=WindowsXP

boot 键指定了 lilo 在哪里安装 MBR。可以通过替换 boot=/dev/fd0 配置来指定 lilo 创建有引导记录的软盘。

LILO 天生存在一些缺点和不足，因此 linux 在新版本中引入了 GRUB 程序。 它为了从磁盘来加裁配置和 kernel 映像，不像 LILO 只能从裸扇区中执行引导程序，而具有了访问磁盘文件系统（ext2/3、reiserfs、 jfs、fat 等）的能力。GRUB 是通过引入所谓 1.5 阶段的引导加载程序来实现这项功能的，在该阶段中，GRUB 主要来加载特殊的文件系统驱动。此后，阶段 2 的引导加载程序就可以进行加载了。

一般 GRUB 有一个不错的 GUI 界面，其中通过分析配置文件来显示了一此引导选项。在我的 ubuntu 8.10 系统中，该配置文件位于 /boot/grub/menu.lst。我们可以选择内核甚至修改附加内核参数，甚至可以使用 GRUB shell 对引导过程进行高级手工控制。我的 menu.lst 文件内容如下。

default  0
timeout  3
hiddenmenu

title  Ubuntu 8.10, kernel 2.6.27-11-generic
uuid   e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4
kernel /boot/vmlinuz-2.6.27-11-generic root=UUID=e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4 ro locale=zh_CN quiet splash 
initrd /boot/initrd.img-2.6.27-11-generic
quiet

title  Ubuntu 8.10, kernel 2.6.27-11-generic (recovery mode)
uuid   e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4
kernel /boot/vmlinuz-2.6.27-11-generic root=UUID=e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4 ro locale=zh_CN  single
initrd /boot/initrd.img-2.6.27-11-generic

title  Ubuntu 8.10, kernel 2.6.27-7-generic
uuid   e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4
kernel /boot/vmlinuz-2.6.27-7-generic root=UUID=e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4 ro locale=zh_CN quiet splash 
initrd /boot/initrd.img-2.6.27-7-generic
quiet

title  Ubuntu 8.10, kernel 2.6.27-7-generic (recovery mode)
uuid   e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4
kernel /boot/vmlinuz-2.6.27-7-generic root=UUID=e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4 ro locale=zh_CN  single
initrd /boot/initrd.img-2.6.27-7-generic

title  Ubuntu 8.10, memtest86+
uuid   e2cf53c5-11de-4d57-a532-878901afd9b4
kernel /boot/memtest86+.bin
quiet

将第二阶段的引导加载程序加载到内存中之后，就可以对文件系统进行查询了，并将默认的内核映像和 initrd 映像加载到内存中。当这些映像文件准备好之后，阶段 2 的引导加载程序就可以调用内核映像。正如上面配置文件描述的那样，我的 ubuntu 启动会将加载 /boot/vmlinuz-2.6.27-11-generic （zImage/bzImage 格式的 kernel 映像）和 /boot/initrd.img-2.6.27-11-generic （cpio 格式的 initrd 映像）。

接下来就是 kernel 引导加载过程，这个过程包括如下 6 步。

执行一个对硬件做些基本设置的例程；
（./arch/i386/boot/head.S 中的 start 例程）
设置一个基本的环境（堆栈等），并清除 Block Started by Symbol（BSS）；
（./arch/i386/boot/compressed/head.S 中的 startup_32 例程）
通过连接在映像中的函数来解压内核；
（./arch/i386/boot/compressed/misc.c 中的 decompress_kernel C 函数）
启动 swapper （0 进程）进程，初始化页表，启用 CPU 内存分页。然后会为任何可选的浮点单元（FPU）检测 CPU 的类型，并将其存储起来供以后使用；
（./arch/i386/kernel/head.S 中的 startup_32 函数）
调用 linux kernl main 函数，进入与体系结构无关的 Linux 内核部分。
（init/main.c 中的 start_kernel 函数）
这会调用一系列初始化函数来设置中断，执行进一步的内存配置，并将 initrd 复制到 RAM 盘中并挂载到 kernel。最后启动 init 进程，这是第一个用户空间进程（user-space process）；
（./arch/i386/kernel/process.c 中的 kernel_thread）
最后，启动空任务。现在调度器就可以接管控制权了（在调用 cpu_idle 之后）。通过启用中断，抢占式的调度器就可以周期性地接管控制权，从而提供多任务处理能力。

上面第 5 步加载的 RAM 盘（initrd）是由阶段 2 引导加载程序加载到内存中的，RAM 盘内的微型系统用来加载必要的磁盘驱动内核模块，最终挂载真正磁盘的 root 文件系统。

Kernel boot sequence

引导加载的最后的一步就是执行 init （1 进程），该进程会根据配置来启动服务。 一般的配置都会写在 inittab 里，不过我这里用的 ubuntu 使用的是 upstart，它是基于事件驱动的，发生什么 event 怎么处理，在这里 init 进程会产生 startup event， upstart 据此来启动 rc.* 配置的进程。不过无论如何，此时引导加载程序已经放权了。

这里抄录一段 LILO 与 GURB 的优缺点对比。

LILO 没有交互式命令界面，而 GRUB 拥有。
LILO 不支持网络引导，而 GRUB 支持。
LILO 将关于可以引导的操作系统位置的信息物理上存储在 MBR 中。如果修改了 LILO 配置文件，必须将 LILO 第一阶段引导加载程序重写到 MBR。相对于 GRUB，这是一个更为危险的选择，因为错误配置的 MBR 可能会让系统无法引导。使用 GRUB，如果配置文件配置错误，则只是默认转到 GRUB 命令行界面。

关于 kernel 和 initrd 两个映像。 技术含量很高的，嵌入式开发中 bootloader 可是很大一块。值得深入，只可惜现在的技术水平，哎～

kernel /boot/vmlinuz-2.6.27-7-generic
initrd /boot/initrd.img-2.6.27-7-generic

initrd 映像是打包的 RAM 盘根文件系统。 一般 initrd.img-2.6.27-7-generic 是一个 cpio 包文件，老版本也有 gzip 压缩格式的。通过 cpio 命令将其解包到当前目录中，如下。cpio 使用方法可参见 cpio 命令详解。

zcat initrd.img-2.6.27-11-generic | cpio -i -d --no-absolute-filenames

在我这里解包后的根文件系统包括如下内容。

initrd.img-2.6.27-7-generic

从上面的 directory tree 可以看到 initrd 中主要包括的就是磁盘、网络、文件系统的驱动 lkm 文件。其中还有最主要是的 init shell 脚本，它包括了初使化的全过程。

#!/bin/sh

echo "Loading, please wait..."

[ -d /dev ] || mkdir -m 0755 /dev
[ -d /root ] || mkdir -m 0700 /root
[ -d /sys ] || mkdir /sys
[ -d /proc ] || mkdir /proc
[ -d /tmp ] || mkdir /tmp
mkdir -p /var/lock
mount -t sysfs -o nodev,noexec,nosuid none /sys 
mount -t proc -o nodev,noexec,nosuid none /proc 

# Note that this only becomes /dev on the real filesystem if udev's scripts
# are used; which they will be, but it's worth pointing out
mount -t tmpfs -o mode=0755 udev /dev
[ -e /dev/console ] || mknod -m 0600 /dev/console c 5 1
[ -e /dev/null ] || mknod /dev/null c 1 3
> /dev/.initramfs-tools
mkdir /dev/.initramfs

# Export the dpkg architecture
export DPKG_ARCH=
. /conf/arch.conf

# Set modprobe env
export MODPROBE_OPTIONS="-Qb"

# Export relevant variables
export ROOT=
export ROOTDELAY=
export ROOTFLAGS=
export ROOTFSTYPE=
export break=
export init=/sbin/init
export quiet=n
export readonly=y
export rootmnt=/root
export debug=
export panic=
export blacklist=
export resume_offset=

# Bring in the main config
. /conf/initramfs.conf
for conf in conf/conf.d/*; do
	[ -f ${conf} ] && . ${conf}
done
. /scripts/functions

# Parse command line options
for x in $(cat /proc/cmdline); do
	case $x in
	init=*)
		init=${x#init=}
		;;
	root=*)
		ROOT=${x#root=}
		case $ROOT in
		LABEL=*)
			ROOT="/dev/disk/by-label/${ROOT#LABEL=}"
			;;
		UUID=*)
			ROOT="/dev/disk/by-uuid/${ROOT#UUID=}"
			;;
		/dev/nfs)
			[ -z "${BOOT}" ] && BOOT=nfs
			;;
		esac
		;;
	rootflags=*)
		ROOTFLAGS="-o ${x#rootflags=}"
		;;
	rootfstype=*)
		ROOTFSTYPE="${x#rootfstype=}"
		;;
	rootdelay=*)
		ROOTDELAY="${x#rootdelay=}"
		case ${ROOTDELAY} in
		*[![:digit:].]*)
			ROOTDELAY=
			;;
		esac
		;;
	resumedelay=*)
		RESUMEDELAY="${x#resumedelay=}"
		;;
	loop=*)
		LOOP="${x#loop=}"
		;;
	loopflags=*)
		LOOPFLAGS="-o ${x#loopflags=}"
		;;
	loopfstype=*)
		LOOPFSTYPE="${x#loopfstype=}"
		;;
	cryptopts=*)
		cryptopts="${x#cryptopts=}"
		;;
	nfsroot=*)
		NFSROOT="${x#nfsroot=}"
		;;
	netboot=*)
		NETBOOT="${x#netboot=}"
		;;
	ip=*)
		IPOPTS="${x#ip=}"
		;;
	boot=*)
		BOOT=${x#boot=}
		;;
	resume=*)
		RESUME="${x#resume=}"
		;;
	resume_offset=*)
		resume_offset="${x#resume_offset=}"
		;;
	noresume)
		noresume=y
		;;
	panic=*)
		panic="${x#panic=}"
		case ${panic} in
		*[![:digit:].]*)
			panic=
			;;
		esac
		;;
	quiet)
		quiet=y
		;;
	ro)
		readonly=y
		;;
	rw)
		readonly=n
		;;
	debug)
		debug=y
		quiet=n
		exec >/tmp/initramfs.debug 2>&1
		set -x
		;;
	debug=*)
		debug=y
		quiet=n
		set -x
		;;
	break=*)
		break=${x#break=}
		;;
	break)
		break=premount
		;;
	blacklist=*)
		blacklist=${x#blacklist=}
		;;
	esac
done

if [ -z "${noresume}" ]; then
	export resume=${RESUME}
else
	export noresume
fi

depmod -a
maybe_break top

# export BOOT variable value for compcache,
# so we know if we run from casper
export BOOT

# Don't do log messages here to avoid confusing usplash
run_scripts /scripts/init-top

maybe_break modules
log_begin_msg "Loading essential drivers..."
load_modules
log_end_msg

maybe_break premount
[ "$quiet" != "y" ] && log_begin_msg "Running /scripts/init-premount"
run_scripts /scripts/init-premount
[ "$quiet" != "y" ] && log_end_msg

maybe_break mount
log_begin_msg "Mounting root file system..."
. /scripts/${BOOT}
parse_numeric ${ROOT}
mountroot
log_end_msg

maybe_break bottom
[ "$quiet" != "y" ] && log_begin_msg "Running /scripts/init-bottom"
run_scripts /scripts/init-bottom
[ "$quiet" != "y" ] && log_end_msg

# Move virtual filesystems over to the real filesystem
mount -n -o move /sys ${rootmnt}/sys
mount -n -o move /proc ${rootmnt}/proc

# Check init bootarg
if [ -n "${init}" ] && [ ! -x "${rootmnt}${init}" ]; then
	echo "Target filesystem doesn't have ${init}."
	init=
fi

# Search for valid init
if [ -z "${init}" ] ; then
	for init in /sbin/init /etc/init /bin/init /bin/sh; do
		if [ ! -x "${rootmnt}${init}" ]; then
			continue
		fi
		break
	done
fi

# No init on rootmount
if [ ! -x "${rootmnt}${init}" ]; then
	panic "No init found. Try passing init= bootarg."
fi

# Confuses /etc/init.d/rc
if [ -n ${debug} ]; then
	unset debug
fi

# Chain to real filesystem
maybe_break init
exec run-init ${rootmnt} ${init} "$@" <${rootmnt}/dev/console >${rootmnt}/dev/console 2>&1
panic "Could not execute run-init."

Kernel 映像与 initrd 不同，它是个 zImage/bzImage 文件。 通过 linux 编译脚本可以确认 zImage 实际上就是是由一个压缩后的内核（piggy.o），连接上一段初始化及解压功能的代码（head.o、misc.o）组成的。前面 kernel 引导加载过程中的硬件基本设置、设置基本环境（堆栈等）并清除BSS，直至解压内核都是 kernel 映像中压缩内核所连接的代码完成的。关于 kernel 映像这块还在研究、学习中。

学习的资料有如下文档，但不限于此。