UNIX系统的引导过程

UNIX系统的引导过程

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1. 介绍

引导过程就是简单意义上的UNIX；通过它能看到各种不同的组件和设计模式（它们构成了UNIX的全部）。在这里我们打算看一下每次按下电源按钮之后OS是如何启动的。

2. 五部引导过程概述

可将引导（启动）过程划分为5个主要步骤：

1)        固件：硬件自识别（PROM/BIOS）

2)        Bootloader（自举操作系统载入器）

3)        内核：初始化和控制转移

4)        Init和初始化脚本

5)        交给管理员：其他杂项

3. 固件—硬件自识别

固件是一系列特殊的指令，介于硬件和软件层之间，负责这两者之间的相互传译。尽管听起来是一件微不足道的工作，但它实际的工作却举足轻重：固件传译的不仅是语言，它还要传译核心元素。硬件只理解电子脉冲；软件（在其最基本的级别）只理解1和0的数据流；固件是两者的一种合成，在硬件中永久地（或半永久地）嵌入了软件形式的例程。它代表了用户同计算机进行交互的最基本的级别（原始的硬件插拔动作除外）。

3.1 固件的一些实例

在同固件打交道的过程中，可能会遇到以下术语：

•  BIOS
•  PROM/EPPROM/EEPPROM
•  NVRAM
•  CMOS

它们的共同特点是：

• 所有例程都是非易失性的芯片
•  所有都采用与OS无关的技术。它们的设计和行动独立于其中存放的内容
•  都具有类似的功能：维持基本的、简单的软件和驱动程序，以及它们相关的一些参数，还提供对键盘、显示器和硬盘的基本访问
•  都采取了专门的设计，在出现磁盘/外设故障时，保证本身仍然可用，不会被破坏；即使不访问硬盘或移动式磁盘，它们存储的程序也能运行。
• 所有都容纳着ROM bootstrap routine(启动程序，用来读入存放于MBR处的bootloader)程序

3.2 固件的工作

固件负责硬件的自查（查找硬件的存在），并让系统知道自己有哪些组件可用。这意味着，固件必须有相应的例程来检查连接的设备以及内建的控制器。但要注意的是：在内核装载恰当的驱动程序和模块之前，有的硬件仍是看不见的。

标识出设备之后，会对它们的基本功能进行测试，通常用它们的内嵌例程来进行。这些步骤统称为POST—开机自检（Power-On Self-Test）。

一旦确认并验证了系统的硬件，固件便开始搜索可引导设备—要么一个内部列表，要么用一个环境变量。

找到一个可引导设备后，会检查它的引导扇区（或引导块），以获取更多的信息。这些信息会传给OS载入程序。

4. bootloader—载入OS

想象系统现在已被唤醒，并回答了第一个问题：“我是什么”，下一步是找到“大脑”，并回答：“我是谁？”。对于任何UNIX系统，基本身份信息都是封装在本地OS中的。

Bootloader这个术语是“bootstrap Operating System loader”的简称，即“自举操作系统的装入器”。

何谓“自举”

根据Merriam-Webster在线字典的说法，首次使用bootstrap（自举）这个术语是在1926年。它的来源确实是一个人试图通过拉自己的鞋带（bootstrap），从而将自己举高。这也是“自力更生”(pull yourself up by your bootstrap)这一谚语的来历。

通常，“自举”意味着利用尽可能少的外部介入和资源，从而让某种东西工作起来。对计算机来说，它的自举意味着使用少量的、独立的、内部的功能，从而初始化，并将控制权交给操作系统。

4.1 bootloader的工作

Bootloader是UNIX实际启动你的系统的地方。在这里，你将启动一系列软件过程，最终将系统控制权从硬件交给OS。

为了使bootloader能够保存到固件中，关键的一点是它尽可能小，它必须能装到磁盘的引导扇区。同时，这也意味着它必须相当简单，只需采用足够的逻辑，能够载入和运行OS引导序列的下一个程序即可。为了找到bootloader，要么对设备进行顺序搜索，要么检查由管理员提供的一个列表。注意bootloader的相关设置保存在系统固件中。

在UNIX的世界中，会经常激将复杂的工作分解成小的，分散的任务，分别由小的，专用的程序来执行。这是UNIX十分重要的一个特点。

5 内核——初始化和控制转移

在UNIX世界中，有两条恒定不变的真理。首先，UNIX中存在的任何东西都是一个文件；其次，UNIX中发生的任何事情都是一个进程。内核是一个编译好的可执行文件，在外观上同其他的可执行文件没什么区别。但只要在引导期间把它装入内存，它就开始控制其他所有系统进程和进程调度器——换句话说，它控制着发生的一切事情。

然而，“控制一切事情”并不意味着“做一切事情”——这是非常重要的区别。内核实际上能做的事情是非常有限的。

现在我们称内核是一个文件，但文件的位置却是不定的。事实上文件完全可能存在一个远程服务器上，根本不在你的系统中。但就实际用途来说，内核在哪里并不重要，只要能找到并载入它即可。

为简化讨论，我们认为在引导阶段最常见的下一个步骤是：载入存放在本地硬盘上的一个本地内核。

5.1 内核的工作

内核为UNIX系统中发生的其他一切事情提供了环境。它是一个基本框架，来自文件系统的任何其他命令都要布置其中。它构建了一个虚拟机，硬件和软件在此相会交互。内核负责处理所有系统资源的分配，包括内存、虚拟内存、CPU时间共享、交换和分页；它还负责系统内部的通信，不管是在软件进程之间还是在软件到硬件指令之间。为了对后者进行管理，内核可提供永久存储空间的访问渠道——包括硬盘及其文件。

文件（包括内核及其附属内容）保存在一种随机存储的介质上，由文件系统对其进行结构化和管理。文件系统必须逻辑地装入，以便系统能够进行文件存取。当然，和系统中的其他任何东西一样，最终都是由内核来控制文件系统。

这听起来似乎是一个先有鸡还是先有蛋的问题：你要先有文件系统才能装入内核；但除非你有一个内核，否则无法装入文件系统…这里的诀窍在于，bootloader会在适当的时候介入，由它装入恰当的文件系统，以便OS能够正确地载入和接管。

6 init进程和初始化脚本

现在，内核已经装入。系统已经准备好回答这样一个问题：“现在做什么？”随后，要由init进程来回答这一问题。创建init进程是在引导过程中内核直接进行的最后一项干预。

Init启动时，它会执行各个默认启动例程，从而继续引导过程（包括检查和装入文件系统、启动守护进程等）。在一个正常运行的UNIX系统中，init是第一个可以存在的进程。正因为如此，它的进程ID肯定是1。

6.1 init的工作

Init进程负责所有的核心系统功能的有序启动（和关闭），这些功能位于内核之外。为此，它必须有能力创建（或孵化spawn）大量进程。

6.2 init的机制和特点：inittab

当然，init仅仅孵化进程是不够的——它们还必须为进程赋予权限。这正是管理员真正能控制的第一个项目：取决于系统用什么“运行级别”(runlevel)或者说“运行模式”来工作。它们会表现出不同的行为。

在inittab中，所有条目采取如下格式：

id: run-level : action : process

第一个字段id是条目的标志符。

第二个字段指运行级别。指该进程能在哪一个运行级别上被启动。一般UNIX的运行级别有0~9个级别，在run-level字段上看可以用多个运行级别的组合，如023。

第三个字段描述了你想让系统做什么事情。一些比较常用的值有：

•  Boot——只在系统引导时运行进程
• Once——只有进入指定的运行级别后才运行进程
•  Respawn——一旦进程终止，便重新启动进程
• Wait——类似于once，但在继续前，会等待进程结束。

第四个字段指定了要运行的可执行程序的完整路径，以及应传递给它的任意参数（只能用空格分隔）。