Linux操作系统启动流程详解

1加电到BIOS
系统加电，BIOS(基本输入输出设备)CMOS(ROM)芯片内代码装载入内存
步骤1：上电自检POST(Power-on self test)，主要负责检测系统外围关键设备（如：CPU、内存、显卡、I/O、键盘鼠标等）是否正常
步骤2：步骤1成功后，便会执行一段小程序用来枚举本地设备并对其初始化。至此，BIOS的任务就完成了，此后将系统启动的控制权移交到MBR部分的代码。
PS: 在个人电脑中，Linux的启动是从0xFFFF0地址开始的
BIOS中包含了CPU的相关信息、设备启动顺序信息、硬盘信息、内存信息、时钟信息、PnP特性等等

2读取主引导设备MBR
系统找到BIOS所指定的主引导设备的MBR后，就会将其复制到0×7c00地址所在的物理内存中。其实被复制到物理内存的内容就是Boot Loader，而具体到你的电脑，那就是lilo或者grub/spfdisk
硬盘的0柱面、0磁头、1扇区称为主引导扇区。它由三个部分组成，主引导程序(Bootloader 446byte)、 硬盘分区表DPT（Disk Partition table 64byte）和分区有效结束标志（55，AA 2byte）magic number
磁盘分区表包含以下三部分：
1）Partition ID （5:延伸 82:Swap 83:Linux 8e:LVM fd:RAID）
2）Partition起始磁柱
3）Partition的磁柱数量

3启动bootloader
Boot Loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核做好一切准备。
Boot Loader有若干种，其中Grub、Lilo和spfdisk是常见的Loader。

通常情况下，诸如lilo、grub这些常见的引导程序都直接安装在MBR中。我们以grub为例来分析这个引导过程。
grub引导也分为两个阶段stage1阶段和stage2阶段(有些较新的grub又定义了stage1.5阶段)。
1)stage1：stage1是直接被写入到MBR中去的，这样机器一启动检测完硬件后，就将控制权交给了GRUB的代码。也就是上图所看到的前446个字节空间中存放的是stage1的代码。BIOS将stage1载入内存中0x7c00处并跳转执行。stage1（/stage1/start.S）的任务非常单纯，仅仅是将硬盘0头0道2扇区读入内存。而0头0道2扇区内容是源代码中的/stage2/start.S，编译后512字节，它是stage2或者stage1_5的入口。而此时，stage1是没有识别文件系统的能力的
[carl@localhost grub]$ hexdump stage1
0000000 48eb 0090 0000 0000 0000 0000 0000 0000
0000010 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
*
0000030 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0203
0000040 00ff 8000 0001 0000 0800 ebfa f607 80c2
0000050 0275 80b2 59ea 007c 3100 8ec0 8ed8 bcd0
0000060 2000 a0fb 7c40 ff3c 0274 c288 f652 80c2
0000070 5474 41b4 aabb cd55 5a13 7252 8149 55fb
0000080 75aa a043 7c41 c084 0575 e183 7401 6637
0000090 4c8b be10 7c05 44c6 01ff 8b66 441e c77c
00000a0 1004 c700 0244 0001 8966 085c 44c7 0006
00000b0 6670 c031 4489 6604 4489 b40c cd42 7213
00000c0 bb05 7000 7deb 08b4 13cd 0a73 c2f6 0f80
00000d0 f084 e900 008d 05be c67c ff44 6600 c031
00000e0 f088 6640 4489 3104 88d2 c1ca 02e2 e888
00000f0 f488 8940 0844 c031 d088 e8c0 6602 0489
0000100 a166 7c44 3166 66d2 34f7 5488 660a d231
0000110 f766 0474 5488 890b 0c44 443b 7d08 8a3c
0000120 0d54 e2c0 8a06 0a4c c1fe d108 6c8a 5a0c
0000130 748a bb0b 7000 c38e db31 01b8 cd02 7213
0000140 8c2a 8ec3 4806 607c b91e 0100 db8e f631
0000150 ff31 f3fc 1fa5 ff61 4226 be7c 7d7f 40e8
0000160 eb00 be0e 7d84 38e8 eb00 be06 7d8e 30e8
0000170 be00 7d93 2ae8 eb00 47fe 5552 2042 4700
0000180 6f65 006d 6148 6472 4420 7369 006b 6552
0000190 6461 2000 7245 6f72 0072 01bb b400 cd0e
00001a0 ac10 003c f475 00c3 0000 0000 0000 0000
00001b0 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1224
00001c0 090f be00 7dbd c031 13cd 8a46 800c 00f9
00001d0 0f75 dabe e87d ffc9 97eb 6c46 706f 7970
00001e0 bb00 7000 01b8 b502 b600 cd00 7213 b6d7
00001f0 b501 e94f fee0 0000 0000 0000 0000 aa55
0000200

【外传】定位硬盘的0头0道2扇区的过程：
BIOS将stage1载入内存0x7c00处并执行，然后调用BIOS INIT13中断，将硬盘0头0道2扇区内容载入内存0x7000处，然后调用copy_buffer将其转移到内存0x8000处.在定位0头0道2扇区时通常有两种寻址方式：LBA和CHS

2)、stage2：严格来说这里还应该再区分个stage1.5的
start.S加载stage1.5：stage1.5它存放在硬盘0头0道3扇区向后的位置，stage1_5作为stage1和stage2中间的桥梁，stage1_5有识别文件系统的能力，此后grub才有能力去访问/boot分区/boot/grub目录下的 stage2文件，将stage2载入内存并执行

start.S加载stage2：同样，这个stage2也不是/boot分区/boot/grub目录下的stage2，这个时候start.S读取的是存放在/boot分区Boot Sector的stage2。这种情况下就有一个限制：因为start.S通过BIOS中断方式直接对硬盘寻址（而非通过访问具体的文件系统），其寻址范围有限，限制在8GB以内。因此这种情况需要将/boot分区分在硬盘8GB寻址空间之前。
假如是情形2，我们将/boot/grub目录下的内容清空，依然能成功启动grub；假如是情形1，将/boot/grub目录下stage2删除后，则系统启动过程中grub会启动失败。

4加载内核
当stage2被载入内存执行时，它首先会去解析grub的配置文件/boot/grub/grub.conf，然后加载内核镜像到内存中，并将控制权转交给内核。而内核会立即初始化系统中各设备并做相关的配置工作，其中包括CPU、I/O、存储设备等。
Linux的内核镜像仅是包含了基本的硬件驱动，在系统安装过程中会检测系统硬件信息，根据安装信息和系统硬件信息将一部分设备驱动写入 initrd 。这样在以后启动系统时，一部分设备驱动就放在initrd中来加载。
关于Linux的设备驱动程序的加载，有一部分驱动程序直接被编译进内核镜像中，另一部分驱动程序则是以模块的形式放在initrd(ramdisk)中。
一部分设备驱动就放在initrd中来加载，bootloader initialized RAM disk，就是由 boot loader 初始化的内存盘。

initramfs 是在 kernel 2.5中引入的技术，实际上它的含义就是：在内核镜像中附加一个cpio包，这个cpio包中包含了一个小型的文件系统，当内核启动时，内核将这个 cpio包解开，并且将其中包含的文件系统释放到rootfs中，内核中的一部分初始化代码会放到这个文件系统中，作为用户层进程来执行。这样带来的明显的好处是精简了内核的初始化代码，而且使得内核的初始化过程更容易定制。亲自验证4.7内核采用initramfs，2.6内核两种都有，具体哪一种是默认启用的没验证过。

简单浏览一下init脚本的内容，发现它也主要是加载各种存储介质相关的设备驱动程序。当所需的驱动程序加载完后，会创建一个根设备，然后将根文件系统rootfs以只读的方式挂载。这一步结束后，释放未使用的内存，转换到真正的根文件系统上面去，同时运行/sbin/init程序，执行系统的1号进程。此后系统的控制权就全权交给/sbin/init进程了。

5初始化系统
经过千辛万苦的跋涉，我们终于接近黎明的曙光了。接下来就是最后一步了：初始化系统。/sbin/init进程是系统其他所有进程的父进程，当它接管了系统的控制权先之后，它首先会去读取/etc/inittab文件来执行相应的脚本进行系统初始化，如设置键盘、字体，装载模块，设置网络等.
Linux的运行等级设定如下：
0：关机
1：单用户模式
2：无网络支持的多用户模式
3：有网络支持的多用户模式
4：保留，未使用
5：有网络支持有X-Window支持的多用户模式
6：重新引导系统，即重启

主要包括以下工作：
1)、执行系统初始化脚本(/etc/rc.d/rc.sysinit)，对系统进行基本的配置，以读写方式挂载根文件系统及其它文件系统，到此系统算是基本运行起来了，后面需要进行运行级别的确定及相应服务的启动。rc.sysinit所做的事情(不同的Linux发行版，该文件可能有些差异)如下：
（1）获取网络环境与主机类型。首先会读取网络环境设置文件"/etc/sysconfig/network"，获取主机名称与默认网关等网络环境。
（2）测试与载入内存设备/proc及usb设备/sys。除了/proc外，系统会主动检测是否有usb设备，并主动加载usb驱动，尝试载入usb文件系统。
（3）决定是否启动SELinux。
（4）接口设备的检测与即插即用（pnp）参数的测试。
（5）用户自定义模块的加载。用户可以再"/etc/sysconfig/modules/*.modules"加入自定义的模块，此时会加载到系统中。
（6）加载核心的相关设置。按"/etc/sysctl.conf"这个文件的设置值配置功能。
（7）设置系统时间（clock）。
（8）设置终端的控制台的字形。
（9）设置raid及LVM等硬盘功能。
（10）以方式查看检验磁盘文件系统。
（11）进行磁盘配额quota的转换。
（12）重新以读取模式载入系统磁盘。
（13）启动quota功能。
（14）启动系统随机数设备（产生随机数功能）。
（15）清楚启动过程中的临时文件。
（16）将启动信息加载到"/var/log/dmesg"文件中。

2)、执行/etc/rc.d/rc脚本。该文件定义了服务启动的顺序是先K后S，而具体的每个运行级别的服务状态是放在/etc/rc.d/rc*.d（*=0~6）目录下，所有的文件均是指向/etc/init.d下相应文件的符号链接。rc.sysinit通过分析/etc/inittab文件来确定系统的启动级别，然后才去执行/etc/rc.d/rc*.d下的文件。
/etc/init.d-> /etc/rc.d/init.d
/etc/rc ->/etc/rc.d/rc
/etc/rc*.d ->/etc/rc.d/rc*.d
/etc/rc.local-> /etc/rc.d/rc.local
/etc/rc.sysinit-> /etc/rc.d/rc.sysinit
也就是说，/etc目录下的init.d、rc、rc*.d、rc.local和rc.sysinit均是指向/etc/rc.d目录下相应文件和文件夹的符号链接。我们以启动级别3为例来简要说明一下。
/etc/rc.d/rc3.d目录，该目录下的内容全部都是以 S 或 K 开头的链接文件，都链接到"/etc/rc.d/init.d"目录下的各种shell脚本。S表示的是启动时需要start的服务内容，K表示关机时需要关闭的服务内容。/etc/rc.d/rc*.d中的系统服务会在系统后台启动，如果要对某个运行级别中的服务进行更具体的定制，通过chkconfig命令来操作，或者通过setup、ntsys、system-config-services来进行定制。如果我们需要自己增加启动的内容，可以在init.d目录中增加相关的shell脚本，然后在rc*.d目录中建立链接文件指向该shell脚本。这些shell脚本的启动或结束顺序是由S或K字母后面的数字决定，数字越小的脚本越先执行。例如，/etc/rc.d/rc3.d /S01sysstat就比/etc/rc.d/rc3.d /S99local先执行。

3)、执行用户自定义引导程序/etc/rc.d/rc.local。其实当执行/etc/rc.d/rc3.d/S99local时，它就是在执行/etc/rc.d/
rc.local。S99local是指向rc.local的符号链接。就是一般来说，自定义的程序不需要执行上面所说的繁琐的建立shell增加链接文件的步骤，只需要将命令放在rc.local里面就可以了，这个shell脚本就是保留给用户自定义启动内容的。

4)、完成了系统所有的启动任务后，linux会启动终端或X-Window来等待用户登录。tty1,tty2,tty3...这表示在运行等级1，2，3，4的时候，都会执行"/sbin/mingetty"，而且执行了6个，所以linux会有6个纯文本终端，mingetty就是启动终端的命令。
除了这6个之外还会执行"/etc/X11/prefdm-nodaemon"这个主要启动X-Window

6执行/bin/login程序，进入登录状态
抛出command line interface，等待用户登录



至此，系统就启动完毕了。以上分析不到的地方还请各位大虾不吝指正。
参考博文：
http://blog.csdn.net/miss_acha/article/details/50004717 http://blog.chinaunix.net/uid-30565002-id-5540367.html