漫话随笔

Appearance

开机流程 ​

开机流程涉及硬件态向内核态的转化，操作系统是运行在硬件上的一个程序，其加载运行也是一个复杂的过程，一旦操作系统运行成功，应用层的软件便可以由操作系统加载和运行，乘上操作系统的快车，利用操作系统提供的 API 便捷地使用硬件完成业务需求。

供电 ​

在硬件平台通电时，主板等周边设备上的小型专用处理器将优先工作。其中挂载在 CPU 总线上的小型控制器 EC（Embedded Controller）负责计算机的电源管理工作。EC 控制电源供应单元为硬件系统供电，系统各部分进入各自的供电流程，包括 CPU、内存、南北桥芯片等。

周边设备的控制器芯片不承担主要的计算任务，但会帮助协调各个硬件之间的工作。

各个硬件的供电顺序有所先后，一般顺序是：CPU、内存、南北桥、扩展卡和外围设备、启动存储等。电源控制单元在确保电源供应一切顺利后，向 EC 发出信号表示供电完毕。供电成功后，EC 通知主板上的各个芯片组，正式开启计算机的启动流程。

首先，南北桥进行交互：

  1. 南桥向北桥发出正常信号
  2. 北桥收到南桥信号，并向 CPU 发送正常信号
  3. CPU 开始工作

供电单元可以进行交流电到直流电的转化，并保持电源电压的稳定。

BIOS/UEFI 寻找 Boot Loader ​

CPU 开始工作后的第一个程序是 BIOS/UEFI 程序，它是主板上的固件。BIOS 程序会：

  1. 扫描和检查设备
  2. 初始化硬件系统（主板、内存、CPU、显卡等）
  3. 确保设备能够正常工作（POST - Power-On Self Test）
  4. 为内存条和 MMIO 设备分配地址空间
  5. 将地址空间连成连续的数组空间（地址位数取决于机器位宽，通常为 32 位或 64 位）

在硬件检查完毕后，BIOS/UEFI 程序尝试依次从多个外部存储设备中加载 Boot Loader 程序到内存中。如果某个设备中没有找到，则尝试从下一个存储设备加载。一旦加载成功，计算机的执行权就移交给 Boot Loader。

BIOS 加载 Boot Loader 时，从外部存储设备的启动扇区（MBR - Master Boot Record）加载，并将其放置到内存中的约定区域。BIOS 查找 Boot Loader 程序的顺序可能如下：

  • 硬盘
  • USB
  • CDROM
  • 网卡（pxe 启动）

BIOS 通常提供基于终端的配置界面，允许用户自定义引导过程，例如修改启动介质的优先级。

一些硬件层面的功能（如网卡的 SR-IOV 功能）不一定会被启用。如需启用，需要重启机器并提前修改 BIOS 配置。

Boot Loader 加载操作系统 ​

Boot Loader 是存放在操作系统镜像盘中约定区域的一段程序。它被 BIOS 程序加载并执行，负责：

  1. 把操作系统的文件加载到内存中
  2. 初始化操作系统
  3. 将计算机的执行权移交给操作系统

Boot Loader 执行时，CPU 处于 Real 模式，只能访问 1MB 的内存空间，没有内存保护。Boot Loader 利用硬盘的分区表、文件系统信息和操作系统核心文件，实现从实模式到保护模式的切换，以及从硬盘到内存的数据传输。

Boot Loader 根据 MBR 中的磁盘分区信息，找到活动分区（操作系统文件所在的分区），然后：

  1. 找到操作系统可执行文件
  2. 加载操作系统到指定的内存区域
  3. 跳转 CPU 到该区域，开始执行操作系统

常见的 Boot Loader 实现包括：

  • GRUB（广泛用于 Linux 系统）
  • LILO
  • NTLDR
  • BOOTMGR

在 Linux 文件系统中，Boot Loader 通常位于/boot目录下。

操作系统启动 ​

当 Boot Loader 将操作系统内核加载到内存并将控制权移交后，操作系统的启动过程正式开始。

linux 第一行代码是与体系结构相关的汇编代码，位于 arch 文件夹中，主要执行硬件初始化工作和 C 语言运行时初始化工作，以屏蔽不同的硬件结构来启动 C 语言的能力，接着解压和加载内核镜像，跳转执行内核代码。

  • 验证 Bootloader 环境：检查 boot_params，确保协议兼容。
  • 设置初始栈和清零 BSS：提供栈和初始化全局变量。
  • 切换到保护模式：初始化 GDT，禁用中断。
  • 调用早期 C 代码：解析硬件信息，准备跳转。
  • 解压内核镜像：解压 vmlinuz，设置 vmlinux 入口。
  • 切换到长模式：启用 64 位，设置页表。
  • 初始化 64 位环境：设置 GDT、IDT、栈。
  • SMP 初始化：唤醒多核。
  • 调用 x86_64_start_kernel（在 x86 上）：进入 C，调用 start_kernel 函数

init/main.c/start_kernel 函数是内核主体逻辑的入口函数，在该函数中会启动核心的管理子系统，包括进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动等。这些子系统为上层应用提供了统一的接口和服务，屏蔽了底层硬件的复杂性。各个子系统的初始化大致遵循如下先后顺序（简化版）：

  1. 早期内核初始化（init_task、锁调试）。
  2. 内存管理初始化（物理内存检测、页表建立、内存分配器初始化）
  3. 中断系统初始化（设置中断向量表、注册 ISR、初始化中断控制器）
  4. 定时器/时钟子系统初始化（初始化系统定时器，为后续调度和时间管理做准备）
  5. 调度器和进程管理初始化（初始化调度器、创建内核线程、进程表等）
  6. 设备驱动和文件系统初始化（初始化块设备、字符设备、挂载根文件系统等）
  7. 显式使能中断（如执行 sti 指令，允许 CPU 响应中断）
  8. 启动用户空间第一个进程（如 init 或 systemd）

一号进程启动 ​

接下来，内核会启动第一个用户空间进程（在 Linux 系统中通常是 init 或 systemd），该进程负责进一步启动系统服务和用户环境。

一号进程（PID 1）在 Linux 操作系统中具有极其特殊的地位。它是用户空间启动的第一个进程，由内核直接创建，并且始终拥有进程号 1。由于其特殊的启动顺序和地位，一号进程承担着整个系统用户空间初始化的重任，负责启动系统服务、守护进程以及用户登录环境，决定了系统的运行模式和服务框架。