Linux系统启动流程详解

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大纲
一、Linux系统启动流程图
二、Linux系统启动流程详解之一：POST
三、Linux系统启动流程详解之二：BIOS(Boot Sequence)
四、Linux系统启动流程详解之三：MBR(BootLoader)
五、Linux系统启动流程详解之四：kernel和initrd
六、Linux系统启动流程详解之五：/sbin/init


一、Linux系统启动流程简述

二、Linux系统启动流程详解之一：POST

加电自检又称为开机自我检测（英文Power-On Self-Test，常用简称POST），是计算机BIOS的一个功能，在开机后会运行，针对计算机硬件如CPU、主板、存储器等进行检测，结果会显示在固件可以控制的输出界面，像屏幕、LED、打印机等等设备上。如果设备健康状态监测出了问题，就会有各种含义的蜂鸣声。

测试流程：

• 开机系统重置REST启动CPU。
  
• CPU指向BIOS自我测试的地址FFFFOH并打开CPU运行第一个指令。
  
• CPU内部寄存器的测试。
  
• CMOS 146818 SRAM检查。
  
• ROM BIOS检查码测试。
  
• 8254计时/计数器测试。
  
• 8237 DMA控制器测试。
  
• 74612页寄存器测试。
  
• REFRESH刷新电路测试。
  
• 8042键盘控制器测试。
  
• DRAM 64KB基本存储器测试。
  
• CPU保护模式的测试。
  
• 8259中断控制器的测试。
  
• CMOS 146818电力及检查码检查。
  
• DRAM IMB以上存储器检查。
  
• 显卡测试。
  
• NMI强制中断测试。
  
• 8254计时/计数器声音电路测试。
  
• 8254计时/计数器计时测试。
  
• CPU保护模式SHUT DOWN测试。
  
• CPU回至实模式（REAL MODE）。
  
• 键盘鼠标测试。
  
• 8042键盘控制器测试。
  
• 8259中断控制器IRQ0至IRQ18创建。
  
• 磁盘驱动器及界面测试。
  
• 设置并行打印机及串列RS232的界面。
  
• 检查CMOS IC时间、日期。
  
• 检查完成
  
  

如果没有显示器，我们可以通过POST CARD来完全上面的测试工作。

三、Linux系统启动流程详解之二：BIOS(Boot Sequence)
当硬件自检完成之后，BIOS就会依据定义在Boot Sequence中自上而下的寻找MBR，如果第一个设备找不到MBR，则会找第二个，以此类推，如果第一个设备有MBR，但是损坏了，它不会去找第二个设备的MBR。所以只有当找不到MBR时，才会去另一个设备。当找到某个设备的MBR时，再将计算机的控制权转交给MBR中位于前446字节的BootLoader。




补充：BIOS与CMOS的关系

CMOS是计算机上另一个重要的存储器。之所以提到它，是因为BIOS程序的设置结果就保存在CMOS中。而且，在BIOS程序引导计算机启动后，计算机需要载入CMOS中的用户信息和常规设置后才能正常使用。

四、Linux系统启动流程详解之三：MBR(BootLoader)
1、Linux上常见BootLoader
BootLoader分MBR前446字节存放的就是BootLoader；其本质是用于引导操作系统的代码段X86的工作站和服务器上一般使用LILO和GRUB( GRand Unified Bootloader)。LILO曾经是Linux发行版主流的BootLoader，不过，它不能引导1024柱面以后的分区，所以现在几乎所有的发行版都已经使用了GRUB，GRUB比LILO有更友好的显示接口，使用配置也更加灵活方便。


2、grub启动阶段
stage1：存储于MBR中前446字节，用于实现引导stage2
stage1.5：存储于/boot/grub目录中，用于识别各种常见的文件系统
stage2：存储于/boot/grub目录中，真正实现引导操作系统


3、grub的配置文件

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[iyunv@CentOS5 grub]# cat /boot/grub/grub.conf # grub.conf generated by anaconda # # Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file # NOTICE:  You have a /boot partition.  This means that #          all kernel and initrd paths are relative to /boot/, eg. #          root (hd0,0) #          kernel /vmlinuz-version ro root=/dev/VolGroup00/LogVol00 #          initrd /initrd-version.img #boot=/dev/sda default=0                                # 设定默认启动的title的编号，从0开始 timeout=5                                # 等待用户选择的超时时长，单位是秒 splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz                    # grub的背景图片定义 hiddenmenu                                # 隐藏菜单，需要按键才会显示菜单 passwd --md5 $1$iR1wX$Q5NDrU92ypjCLAUHHHg260     # 密码设置在此处时，则需要先输入密码才能编辑grub菜单，按p提示输入grub密码 title CentOS (2.6.18-308.el5)       # 内核标题，或操作系统名称，字符串，可自由修改           root (hd0,0)        # 内核文件所在的设备；对grub而言，所有类型硬盘一律hd，格式为(hd#,N)；hd#, #表示第几个磁盘；最后的N表示对应磁盘的分区；     kernel /vmlinuz-2.6.18-308.el5 ro root=/dev/VolGroup00/LogVol00    # 内核文件路径，及传递给内核的参数     initrd /initrd-2.6.18-308.el5.img                  # ramdisk文件路径     passwd --md5 $1$4G2wX$Jb7Nvqdubza6oXH3C/BlL.            #密码设置在此处时，则需要先输入密码，才能启动内核       如需更改grub背景图片，则用gimp制作一个640X480大小的xpm格式图片，再gzip压缩放于/boot/grub/目录下即可 当前boot分区是一个独立的分区，在kernel这一行定义时，是直接在根下，而不是/boot下 因为各分区在物理上是并行的。虽然boot目录是在根下，但boot目录下的文件则是在另一个独立分区上。 所以在grub看来，要想访问kernel文件，即把这个单独分区当做根，那么文件即是直接在根下，而不是在/boot下

4、给grub添加密码以及如何进入单用户模式
(1)、生成md5加密的密码

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[iyunv@CentOS5 grub]# grub-md5-crypt         # grub自带的加密工具 Password: Retype password: $1$hj5wX$ekbrytcIyl3C7TiGPBOUR1

(2)、编辑grub的配置文件/boot/grub/grub.conf

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[iyunv@CentOS5 grub]# cat /boot/grub/grub.conf # grub.conf generated by anaconda # # Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file # NOTICE:  You have a /boot partition.  This means that #          all kernel and initrd paths are relative to /boot/, eg. #          root (hd0,0) #          kernel /vmlinuz-version ro root=/dev/VolGroup00/LogVol00 #          initrd /initrd-version.img #boot=/dev/sda default=0 timeout=5 splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz hiddenmenu password --md5  $1$hj5wX$ekbrytcIyl3C7TiGPBOUR1          # 此行就是我们添加的grub菜单密码 title CentOS (2.6.18-308.el5)     root (hd0,0)     kernel /vmlinuz-2.6.18-308.el5 ro root=/dev/VolGroup00/LogVol00     initrd /initrd-2.6.18-308.el5.img

(3)、重启计算机

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[iyunv@CentOS5 grub]# reboot Broadcast message from root (pts/2) (Wed Dec  2 18:45:32 2015): The system is going down for reboot NOW!

(4)、grub显示界面，敲一下p键





(5)、输入密码之后按回车键



(6)、此时可以看到下方编辑菜单已经解锁，用户可以自行编辑了，此时我们敲e键



(7)、将光标挪至第二行，也就是kernel这一行，再敲一下e键



(8)、此时就进入kernel的编辑菜单里，我们只需要在行尾加一个数字1之后按回车




(9)、此时敲一下b键，即可重新启动系统




(10)、此时系统已重新启动，启动完成之后，就是单用户模式，直接修改root密码



(11)、此时是root用户直接登录，输入passwd修改root密码，再重启进入级别3即可




5、安装grub
(1)、grub命令行方式

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[iyunv@CentOS5 ~]# mount /dev/mapper/VolGroup00-LogVol00 on / type ext3 (rw) proc on /proc type proc (rw) sysfs on /sys type sysfs (rw) devpts on /dev/pts type devpts (rw,gid=5,mode=620) /dev/sda1 on /boot type ext3 (rw)                        # 可以看到boot为独立分区 tmpfs on /dev/shm type tmpfs (rw) none on /proc/sys/fs/binfmt_misc type binfmt_misc (rw) sunrpc on /var/lib/nfs/rpc_pipefs type rpc_pipefs (rw) [iyunv@CentOS5 ~]# fdisk -l Disk /dev/sda: 21.4 GB, 21474836480 bytes 255 heads, 63 sectors/track, 2610 cylinders Units = cylinders of 16065 * 512 = 8225280 bytes    Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System /dev/sda1   *           1          13      104391   83  Linux /dev/sda2              14        2610    20860402+  8e  Linux LVM [iyunv@CentOS5 ~]# dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=200 count=1        # 模拟bootloader损坏 1+0 records in 1+0 records out 200 bytes (200 B) copied, 0.000158 seconds, 1.3 MB/s [iyunv@CentOS5 ~]# sync                                                # 同步至磁盘 [iyunv@CentOS5 ~]# grub                                              # 进入grub命令行界面 Probing devices to guess BIOS drives. This may take a long time.     GNU GRUB  version 0.97  (640K lower / 3072K upper memory) [ Minimal BASH-like line editing is supported.  For the first word, TAB    lists possible command completions.  Anywhere else TAB lists the possible    completions of a device/filename.] grub> root (hd0,0)                                    # 指定内核所在磁盘及分区，自己指定 root (hd0,0) Filesystem type is ext2fs, partition type 0x83 grub> setup (hd0)                                    # 安装grub，指定磁盘 setup (hd0) Checking if "/boot/grub/stage1" exists... no Checking if "/grub/stage1" exists... yes Checking if "/grub/stage2" exists... yes Checking if "/grub/e2fs_stage1_5" exists... yes Running "embed /grub/e2fs_stage1_5 (hd0)"...  15 sectors are embedded. succeeded Running "install /grub/stage1 (hd0) (hd0)1+15 p (hd0,0)/grub/stage2 /grub/grub.conf"... succeeded Done. grub> quit quit

(2)、grub-install命令方式：grub安装在当前磁盘上

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grub-install --root-directory=/path/to/boot's_parent_dir  /PATH/TO/DEVICE 此时需要注意--root-directory指向的是boot的父目录 grub在安装时，会自动在根下找boot目录，然后在boot目录里创建stage1.5和stage2等各种文件 [iyunv@CentOS5 ~]# dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=200 count=1    # 模拟损坏bootloader 1+0 records in 1+0 records out 200 bytes (200 B) copied, 0.000229 seconds, 873 kB/s [iyunv@CentOS5 ~]# sync                                            # 同步至磁盘 [iyunv@CentOS5 ~]# grub-install --root-directory=/  /dev/sda         # 安装grub Installation finished. No error reported. This is the contents of the device map //boot/grub/device.map. Check if this is correct or not. If any of the lines is incorrect, fix it and re-run the script `grub-install'. # this device map was generated by anaconda (hd0)     /dev/sda

(3)、grub-install命令方式：grub安装在另一块磁盘上

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[iyunv@soysauce ~]# fdisk -l /dev/sda                Disk /dev/sda: 21.5 GB, 21474836480 bytes 255 heads, 63 sectors/track, 2610 cylinders Units = cylinders of 16065 * 512 = 8225280 bytes Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes Disk identifier: 0x00000000 [iyunv@soysauce ~]# fdisk /dev/sda                # 新建一个20M的分区，存放grub配置文件及启动文件 Device contains neither a valid DOS partition table, nor Sun, SGI or OSF disklabel Building a new DOS disklabel with disk identifier 0x7dd89809. Changes will remain in memory only, until you decide to write them. After that, of course, the previous content won't be recoverable. Warning: invalid flag 0x0000 of partition table 4 will be corrected by w(rite) WARNING: DOS-compatible mode is deprecated. It's strongly recommended to          switch off the mode (command 'c') and change display units to          sectors (command 'u'). Command (m for help): n Command action    e   extended    p   primary partition (1-4) p Partition number (1-4): 1 First cylinder (1-2610, default 1): Using default value 1 Last cylinder, +cylinders or +size{K,M,G} (1-2610, default 2610): +20M Command (m for help): p Disk /dev/sda: 21.5 GB, 21474836480 bytes 255 heads, 63 sectors/track, 2610 cylinders Units = cylinders of 16065 * 512 = 8225280 bytes Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes Disk identifier: 0x7dd89809    Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System /dev/sda1               1           4       32098+  83  Linux Command (m for help): w The partition table has been altered! Calling ioctl() to re-read partition table. Syncing disks. [iyunv@soysauce ~]# cat /proc/partitions             # 此时刚才创建的sda1已经被内核识别 major minor  #blocks  name    8        0   20971520 sda    8        1      32098 sda1    8       16   20971520 sdb    8       17     512000 sdb1    8       18   20458496 sdb2 253        0   18423808 dm-0 253        1    2031616 dm-1    [iyunv@soysauce ~]# mke2fs -j /dev/sda1                        # 创建ext3文件系统 mke2fs 1.41.12 (17-May-2010) Filesystem label= OS type: Linux Block size=1024 (log=0) Fragment size=1024 (log=0) Stride=0 blocks, Stripe width=0 blocks 8032 inodes, 32096 blocks 1604 blocks (5.00%) reserved for the super user First data block=1 Maximum filesystem blocks=33030144 4 block groups 8192 blocks per group, 8192 fragments per group 2008 inodes per group Superblock backups stored on blocks:     8193, 24577 Writing inode tables: done                            Creating journal (1024 blocks): done Writing superblocks and filesystem accounting information: done This filesystem will be automatically checked every 39 mounts or 180 days, whichever comes first.  Use tune2fs -c or -i to override. [iyunv@soysauce ~]# mkdir /mnt/boot                # 以mnt为根，在其目录下创建一个boot目录 [iyunv@soysauce ~]# mount /dev/sda1 /mnt/boot/        # 挂载sda1分区至boot目录下 [iyunv@soysauce ~]# ls /mnt/boot/ lost+found                                            # 分区已挂载成功         [iyunv@soysauce ~]# grub-install --root-directory=/mnt/ /dev/sda        # 安装grub Probing devices to guess BIOS drives. This may take a long time. Installation finished. No error reported. This is the contents of the device map /mnt//boot/grub/device.map. Check if this is correct or not. If any of the lines is incorrect, fix it and re-run the script `grub-install'. (fd0)   /dev/fd0 (hd0)   /dev/sda (hd1)   /dev/sdb [iyunv@soysauce ~]# sync                                   # 同步内存数据至磁盘 [iyunv@soysauce ~]# vim /mnt/boot/grub/grub.conf             # 编辑grub配置文件 [iyunv@soysauce ~]# cat /mnt/boot/grub/grub.conf default=0 timeout=5 title My Linux     root (hd0,0)     kernel /vmlinuz     initrd /initrd [iyunv@soysauce ~]# sync                                  # 同步内存数据至磁盘 [iyunv@soysauce ~]# umount /mnt/boot/                     # 卸载此磁盘，挂载至其他计算机上

6、当grub配置文件丢失时
(1)、当grub.conf配置文件丢失时，重启系统时就会是这样






(2)、此时我们只需要指定/所在的磁盘及分区、内核文件路径、initrd文件路径即可




启动完成之后显示如下



注：此处find命令十分好用，指定root、kernel、initrd即可启动

(3)、重建grub.conf配置文件即可





五、Linux系统启动流程详解之四：kernel和initrd
1、kernel初始化过程
①设备探测
②驱动初始化（可能会从initrd（initramfs）文件中装载驱动模块）
③以只读挂载根文件系统；
④装载第一个进程init（PID：1）



2、inittab文件

(1)、定义格式 id:runlevels:action:process


①id：标识符               
②runlevels：在哪个级别运行此行
③action：在什么情况下执行此行
④process：要运行程序

ACTION:

①initdefault：设定默认运行级别

②sysinit：系统初始化

③wait：等待级别切换至此级别时执行

④respawn：一旦程序终止，会重新启动

(2)、/etc/inittab的任务
①设定默认运行级别
②运行系统初始化脚本
③运行指定运行级别对应的目录下的脚本
④设定Ctrl+Alt+Del组合键的操作
⑤定义UPS电源在电源故障/恢复时执行的操作
⑥启动虚拟终端(2345级别)
⑦启动图形终端(5级别)

3、/etc/rc.d/rc.sysinit的任务
①激活udev和selinux
②根据/etc/sysctl.conf文件，来设定内核参数
③设定时钟时钟
④装载键盘映射
⑤启用交换分区和设置主机名
⑥根文件系统检测，并以读写方式重新挂载
⑦激活RAID和LVM设备
⑧启用磁盘配额
⑨根据/etc/fstab，检查并挂载其它文件系统
⑩清理过期的锁和PID文件