计算机怎么引导内核启动的?

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之前有一篇文章介绍了《Intel计算机的主板与内存映射》,从而为本文设定了一个系统引导阶段的场景。引导(Booting)是一个复杂的,充满技巧的,涉及多个阶段,又十分有趣的过程。下图列出了此过程的概要:

       

引导过程概要

当你按下计算机的电源键后(现在别按!),机器就开始运转了。一旦主板上电,它就会初始化自身的固件(firmware)——芯片组和其他零零碎碎的东西 ——并尝试启动CPU。如果此时出了什么问题(比如CPU坏了或根本没装),那么很可能出现的情况是电脑没有任何动静,除了风扇在转。一些主板会在CPU 故障或缺失时发出鸣音提示,但以我的经验,此时大多数机器都会处于僵死状态。一些USB或其他设备也可能导致机器启动时僵死。对于那些以前工作正常,突然 出现这种症状的电脑,一个可能的解决办法是拔除所有不必要的设备。你也可以一次只断开一个设备,从而发现哪个是罪魁祸首。

如果一切正常,CPU就开始运行了。在一个多处理器或多核处理器的系统中,会有一个CPU被动态的指派为引导处理器(bootstrap processor简写BSP),用于执行全部的BIOS和内核初始化代码。其余的处理器,此时被称为应用处理器(application processor简写AP),一直保持停机状态直到内核明确激活他们为止。虽然Intel CPU经历了很多年的发展,但他们一直保持着完全的向后兼容性,所以现代的CPU可以表现得跟原先1978年的Intel 8086完全一样。其实,当CPU上电后,它就是这么做的。在这个基本的上电过程中,处理器工作于实模式,分页功能是无效的。此时的系统环境,就像古老的MS-DOS一样,只有1MB内存可以寻址,任何代码都可以读写任何地址的内存,这里没有保护或特权级的概念。

CPU上电后,大部分寄存器的都具有定义良好的初始值,包括指令指针寄存器(EIP),它记录了下一条即将被CPU执行的指令所在的内存地址。尽管此时的Intel CPU还只能寻址1MB的内存,但凭借一个奇特的技巧,一个隐藏的基地址(其实就是个偏移量)会与EIP相加,其结果指向第一条将被执行的指令所处的地址0xFFFFFFF0(长16字节,在4GB内存空间的尾部,远高于1MB)。这个特殊的地址叫做复位向量(reset vector),而且是现代Intel CPU的标准。

主板保证在复位向量处的指令是一个跳转,而且是跳转到BIOS执行入口点所在的内存映射地址。这个跳转会顺带清除那个隐藏的、上电时的基地址。感谢芯片组提供的内存映射功能,此时的内存地址存放着CPU初始化所需的真正内容。这些内容全部是从包含有BIOS的闪存映射过来的,而此时的RAM模块还只有随机的垃圾数据。下面的图例列出了相关的内存区域:

       

引导时的重要内存区域

随后,CPU开始执行BIOS的代码,初始化机器中的一些硬件。之后BIOS开始执行上电自检过程(POST),检测计算机中的各种组件。如果找不到一个可用的显卡,POST就会失败,导致BIOS进入停机状态并发出鸣音提示(因为此时无法在屏幕上输出提示信息)。如果显卡正常,那么电脑看起来就真的运转起来了:显示一个制造商定制的商标,开始内存自检,天使们大声的吹响号角。另有一些POST失败的情况,比如缺少键盘,会导致停机,屏幕上显示出错信息。其实POST即是检测又是初始化,还要枚举出所有PCI设备的资源——中断,内存范围,I/O端口。现代的BIOS会遵循高级配置与电源接口(ACPI)协议,创建一些用于描述设备的数据表,这些表格将来会被操作系统内核用到。

POST完毕后,BIOS就准备引导操作系统了,它必须存在于某个地方:硬盘,光驱,软盘等。BIOS搜索引导设备的实际顺序是用户可定制的。如果找不到合适的引导设备,BIOS会显示出错信息并停机,比如"Non-System Disk or Disk Error"没有系统盘或驱动器故障。一个坏了的硬盘可能导致此症状。幸运的是,在这篇文章中,BIOS成功的找到了一个可以正常引导的驱动器。

现在,BIOS会读取硬盘的第一个扇区(0扇区),内含512个字节。这些数据叫做主引导记录(Master Boot Record简称MBR)。一般说来,它包含两个极其重要的部分:一个是位于MBR开头的操作系统相关的引导程序,另一个是紧跟其后的磁盘分区表。BIOS 丝毫不关心这些事情:它只是简单的加载MBR的内容到内存地址0x7C00处,并跳转到此处开始执行,不管MBR里的代码是什么。

       

主引导记录

这段在MBR内的特殊代码可能是Windows 引导装载程序,Linux 引导装载程序(比如LILO或GRUB),甚至可能是病毒。与此不同,分区表则是标准化的:它是一个64字节的区块,包含4个16字节的记录项,描述磁盘是如何被分割的(所以你可以在一个磁盘上安装多个操作系统或拥有多个独立的卷)。传统上,Microsoft的MBR代码会查看分区表,找到一个(唯一的)标记为活动(active)的分区,加载那个分区的引导扇区(boot sector),并执行其中的代码。引导扇区是一个分区的第一个扇区,而不是整个磁盘的第一个扇区。如果此时出了什么问题,你可能会收到如下错误信息:"Invalid Partition Table"无效分区表或"Missing Operating System"操作系统缺失。这条信息不是来自BIOS的,而是由从磁盘加载的MBR程序所给出的。因此这些信息依赖于MBR的内容。

随着时间的推移,引导装载过程已经发展得越来越复杂,越来越灵活。Linux的引导装载程序Lilo和GRUB可以处理很多种类的操作系统,文件系统,以及引导配置信息。他们的MBR代码不再需要效仿上述"从活动分区来引导"的方法。但是从功能上讲,这个过程大致如下:

  • 1、 MBR本身包含有第一阶段的引导装载程序。GRUB称之为阶段一。
  • 2、 由于MBR很小,其中的代码仅仅用于从磁盘加载另一个含有额外的引导代码的扇区。此扇区可能是某个分区的引导扇区,但也可能是一个被硬编码到MBR中的扇区位置。
  • 3、 MBR配合第2步所加载的代码去读取一个文件,其中包含了下一阶段所需的引导程序。这在GRUB中是"阶段二"引导程序,在Windows Server中是C:/NTLDR。如果第2步失败了,在Windows中你会收到错误信息,比如"NTLDR is missing"NTLDR缺失。阶段二的代码进一步读取一个引导配置文件(比如在GRUB中是grub.conf,在Windows中是boot.ini)。之后要么给用户显示一些引导选项,要么直接去引导系统。
  • 4、 此时,引导装载程序需要启动操作系统核心。它必须拥有足够的关于文件系统的信息,以便从引导分区中读取内核。在Linux中,这意味着读取一个名字类似"vmlinuz-2.6.22-14-server"的含有内核镜像的文件,将之加载到内存并跳转去执行内核引导代码。在Windows Server 2003中,一部份内核启动代码是与内核镜像本身分离的,事实上是嵌入到了NTLDR当中。在完成一些初始化工作以后,NTDLR从"c:/Windows/System32/ntoskrnl.exe"文件加载内核镜像,就像GRUB所做的那样,跳转到内核的入口点去执行。

这里还有一个复杂的地方值得一提(这也是我说引导富于技巧性的原因)。当前Linux内核的镜像就算被压缩了,在实模式下,也没法塞进640KB的可用RAM里。我的vanilla Ubuntu内核压缩后有1.7MB。然而,引导装载程序必须运行于实模式,以便调用BIOS代码去读取磁盘,所以此时内核肯定是没法用的。解决之道是使用一种倍受推崇的"虚模式"。它并非一个真正的处理器运行模式(希望Intel的工程师允许我以此作乐),而是一个特殊技巧。程序不断的在实模式和保护模式之间切换,以便访问高于1MB的内存同时还能使用BIOS。如果你阅读了GRUB的源代码,你就会发现这些切换到处都是(看看stage2/目录下的程序,对real_to_prot 和 prot_to_real函数的调用)。在这个棘手的过程结束时,装载程序终于千方百计的把整个内核都塞到内存里了,但在这后,处理器仍保持在实模式运行。

至此,我们来到了从"引导装载"跳转到"早期的内核初始化"的时刻,就像第一张图中所指示的那样。在系统做完热身运动后,内核会展开并让系统开始运转。

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