Bootloader
启动前, 硬件的状态处于一个安全, 通用, 功能最弱的状态; 而启动, 就是要逐步设置硬件, 提升计算机系统的环境, 提高可用性与灵活性.
Bootloader是系统加电后, 运行的第一段软件代码, 是运行操作系统内核前的一段小软件:
- Boot: 初始化系统硬件, 使得系统硬件正常运行(至少是部分运行).
- Load: 将操作系统的内核载入内存, 并将执行权交给操作系统.
常见体系结构对应的Bootloader:
| MIPS | X86 |
|---|---|
| U-boot | LILO / GRUB |
需要注意的是, Bootloader的实现严重依赖于具体的硬件, 不可能有一个Bootloader能支持所有的CPU/开发板.
启动与OS引导
MIPS体系 (U-boot)
MIPS基本地址空间
- kuseg: 用户态2GB地址, 将经过地址转换机构转换. 在地址转换机构设置好前, 此2GB空间是无法使用的.
- kseg0: 内核态第一段512MB地址, 不经过地址转换机构, 直接去掉最高位得到物理地址, 但通过Cache. 在Cache设置好前, 此512MB地址是无法使用的.
- kseg1: 内核态第二段512MB地址, 不经过地址转换机构, 直接去掉高三位得到物理地址, 不通过Cache. 这是系统重启时唯一能够工作的地址空间.
- kseg2: 最高的1GB地址, 经过地址转换机构, 通过Cache, 只允许在内核态使用.
MIPS系统启动
MIPS系统加电后, 从 0xbfc00000 这个入口地址开始执行, 这个地址位于加电后唯一能够工作的kseg1段, 对应的物理地址为 0x1fc00000 .
MIPS下的Linux引导
首先, Bootloader将Linux内核镜像拷贝到RAM中, 将执行权交给Linux内核.
Linux内核启动的第一个阶段从/arch/mips/kernel/head.s文件开始. 此处正是内核入口函数 kernel_entry , 此函数是与体系结构相关的汇编函数, 它初始化内核堆栈, 为创建系统的第一个进程做准备, 接着用一段循环将内核映像中未初始化的部分清零, 最后转至/init/main.c中的 start_kernel 初始化硬件.
第二阶段就是/init/main.c中的 start_kernel. 包括设置CPU ID, 初始化内核数据结构, 初始化内存管理, 给多核处理器的多个核心分配物理地址空间, 初始化进程调度与时钟, 启用时钟中断, 控制台中断, 启用用户进程等工作.
X86体系
启动BIOS(Basic Input/Output System)
- 硬件自检POST(Power-On-Self-Test): BIOS首先检查计算机硬件是否满足运行的基本条件.
- 启动顺序BS(Boot Sequence): 硬件自检完毕后, BIOS将控制权转交给启动顺序中下一阶段的程序.
主引导记录MBR(Master Boot Record)
计算机读取硬盘的第一个扇区(512B), 即为MBR: 0~446B为启动代码与数据, 447~510B为分区表, 511~512B为幻数 0xAA 与 0x55 .
其中分区标识占1B, 若为 0x80 则表示该分区为激活分区, 控制权就交给这个分区. 四个分区中, 只有一个分区可以被激活.
硬盘启动
计算机读取激活分区的第一个扇区, 该扇区就是卷引导记录VBR(Volume Boot Record), 指示操作系统的位置, 接着计算机就会加载这个操作系统.
X86下的Linux引导 - 以GRUB为例
首先, GRUB读MBR, 识别不同的文件系统格式. 紧接着加载Linux系统引导菜单(/boot/grub/menu.lst或grub.lst), 加载Linux内核镜像和RAM磁盘initrd(可选). 然后就可以开始运行Linux内核了.
