Linux内核启动过程分析

1、Linux内核启动协议

阅读文档\linux-2.6.35\Documentation\x86\boot.txt

传统支持Image和zImage内核的启动装载内存布局（2.4以前的内核装载就是这样的布局）：

| |

0A0000 +------------------------+

| Reserved for BIOS | Do not use. Reserved for BIOS EBDA.

09A000 +------------------------+

| Command line |

| Stack/heap | For use by the kernel real-mode code.

098000 +------------------------+

| Kernel setup | The kernel real-mode code.

090200 +------------------------+

| Kernel boot sector | The kernel legacy boot sector.

090000 +------------------------+

| Protected-mode kernel | The bulk of the kernel image.

010000 +------------------------+

| Boot loader | <- Boot sector entry point 0000:7C00

001000 +------------------------+

| Reserved for MBR/BIOS |

000800 +------------------------+

| Typically used by MBR |

000600 +------------------------+

| BIOS use only |

000000 +------------------------+

当使用bzImage时，保护模式的内核会被重定位到0x1000000（高端内存），内核实模式的代码（boot sector,setup和stack/heap）会被编译成可重定位到0x100000与低端内存底端之间的任何地址处。不幸的是，在2.00和2.01版的引导协议中，0x90000+的内存区域仍然被使用在内核的内部。2.02版的引导协议解决了这个问题。boot loader应该使BIOS 的12h中断调用来检查低端内存中还有多少内存可用。

人们都希望“内存上限”，即boot loader触及的低端内存最高处的指针，尽可能地低，因为一些新的BIOS开始分配一些相当大的内存，所谓的扩展BIOS数据域，几乎快接近低端内存的最高处了。

不幸的是，如果BIOS 12h中断报告说内存的数量太小了，则boot loader除了报告一个错误给用户外，什么也不会做。因此，boot loader应该被设计成占用尽可能少的低端内存。对zImage和以前的bzImage，这要求数据能被写到x090000段，boot loader应该确保不会使用0x9A000指针以上的内存；很多BIOS在这个指针以上会终止。

对一个引导协议>=2.02的现代bzImage内核，其内存布局使用以下格式：| Protected-mode kernel |

100000 +------------------------+

| I/O memory hole |

0A0000 +------------------------+

| Reserved for BIOS | Leave as much as possible unused

~ ~

| Command line | (Can also be below the X+10000 mark)

X+10000 +------------------------+

| Stack/heap | For use by the kernel real-mode code.

X+08000 +------------------------+

| Kernel setup | The kernel real-mode code.

| Kernel boot sector | The kernel legacy boot sector.

X +------------------------+

| Boot loader | <- Boot sector entry point 0000:7C00

001000 +------------------------+

| Reserved for MBR/BIOS |

000800 +------------------------+

| Typically used by MBR |

000600 +------------------------+

| BIOS use only |

000000 +------------------------+

这里程序段地址是由grub的大小来决定的。地址X应该在bootloader所允许的范围内尽可能地低。

2、BIOS POST过程

传统意义上，由于CPU加电之后，CPU只能访问ROM或者RAM里的数据，而这个时候是没有计算机操作系统的，所以需要有一段程序能够完成加载存储在非易失性存储介质（比如硬盘）上的操作系统到RAM中的功能。这段程序存储在ROM里，BIOS就是这类程序中的一种。对于BIOS，主要由两家制造商制造，驻留在主板的ROM里。有了BIOS,硬件制造商可以只需要关注硬件而不需要关注软件。BIOS的服务程序，是通过调用中断服务程序来实现的。BIOS加载bootloader程序，Bootloader也可以通过BIOS提供的中断，向BIOS

获取系统的信息。整个过程如下：

（1）电源启动时钟发生器并在总线上产生一个#POWERGOOD的中断。

（2）产生CPU的RESET中断（此时CPU处于8086工作模式）。

（3）进入BIOS POST代码处：%ds=%es=%fs=%gs=%ss=0,%cs=0xFFFF0000,%eip = 0x0000FFF0 (ROM BIOS POST code，指令指针eip，数据段寄存器ds，代码段寄存器cs）。

（4）在中断无效状态下执行所有POST检查。

（5）在地址0初始化中断向量表IVT。

（6）0x19中断：以启动设备号为参数调用BIOS启动装载程序。这个程序从启动设备(硬盘)的0扇面1扇区读取数据到内存物理地址0x7C00处开始装载。这个0扇面1扇区称为Boot sector(引导扇区)，共512字节，也称为MBR。

就是说，CPU 在BIOS 的入口（CS:IP=FFFF:0000）处执行BIOS的汇编程序，BIOS 程序功能有系统硬件的检测，提供中断访问接口以访问硬件。而后被BIOS程序通过中断

0x19调用磁盘MBR上的bootloader程序，将bootloader程序加载到ox7c00处，而后跳转到0x7c00,这样，位于0x7c00处的bootloader程序，就可以执行了。

从BIOS执行MBR中的bootloader程序开始，就是linux的代码在做的事情了。

3、Bootloader过程

bootloader程序是为计算机加载（load）计算机操作系统的。boot（引导）是bootstrap 的简写，bootstrap是引导指令的意思。bootloader程序通常位于硬盘上，被BIOS调用，用于加载内核。在PC机上常见的bootloader主要有grub、lilo、syslinux等。

GRUB（GRand Unified Bootloader）是当前linux诸多发行版本默认的引导程序。嵌入式