Linux系统启动及定制过程

CentOS的启动流程总体顺序如下:

POST -->Boot Sequence -->bootloader(MBR) -->Kernel -->加载rootfs -->switchroot -->/sbin /init -->(配置文件：/etc/inittab, /etc/init/*.conf) -->根据init配置文件设置默认运行级别 -->运行系统初始化脚本/etc/rc.d/rc.sysinit，完成系统初始化 -->开启或关闭用户选定的对应运行级别下所对应的服务 -->启动终端，打印登录提示符。

注：前面加粗部分代表内核空间的系统启动流程，后面未加粗部分代表用户空间的系统启动流程。

第一步：硬件启动过程

POST加尘数电自检

主要实现的功能是检测各个外围硬件设备是否存在而且能够正常运行起来，实现这一自检功能的是固化在主板上的ROM(主要代表为CMOS)芯片上的BIOS(Basic Input/Output System)程序；例如BIOS会检测CPU、Memory以及I/O设备是否能够正常运行，如果是个人计算机的话可能还会检测一下显示器。只要一通电，CPU就会自动去加载ROM芯片上的BIOS程序，是这样来实现的。而检测完成之后就进行硬件设备的初始化。

选择启动设备以加载MBR

主要实现的功能是选择要启动的硬件设备，选择了之后就可以读取这个设备上位于MBR里头的bootloader了。这一步的实现是这样的：根据BIOS中对启动顺序的设定，BIOS自己会依次扫描各个引导设备，然后第一个被扫描到具有引导程序(bootloader)的设备就被作为要启动的引导设备。

MBR（Main Boot Record），是硬盘的0柱面，0磁道、1扇区（第一个扇区），称为主引导扇区，也称为主引导记录。它由三部分组 成：主引导程序（BootLoader）、硬盘分区表DPT（Disk Partition table）和硬盘有效标志（55AA）。派册首

注：硬盘默认一个扇区大小为512字节。

第一部分，主引导程序（BootLoader）占446个字节，负责从活动分区中装载，并运行系统引导程序。

第二部分，硬盘分区表DPT占64个字节，有4个分区表项，每个分区表项占16个字节，硬盘中分区有多少以及每一个分区的大小都记 录在其中。

第三部分，硬盘有效标志，占2个字节，固定为55AA。如果这个标志位0xAA55，就认为这个是MB

第二步：GRUB引导阶段

不同的系统有不同的姿磨主引导程序（BootLoader）。Windows使用的是NTLDR（NT Loader，Windows NT系列 *** 作系统）、Bootmgr（Boot Manager，Windows Vista，7，8，10），Linux一般使用的是grub（也叫grub legacy）和grub2。GRUB程序加载执行并引导kernel（内核）程序，其中有三个阶段，Grub引导阶段的文件都在/boot/grub/目录下。

stage1： 这一阶段执行的就是系统安装时预先写入到MBR的Bootloader程序，即是存放在MBR的前446字节里的程序。它的任务仅是读取（加载）硬盘的0柱面，0磁道，2扇区的内容（/boot/grub/stage1）并执行。

stage1.5： 这一阶段是Stage1阶段和Stage2阶段的桥梁，功能是加载stage2所在分区的文件系统驱动，让stage1中的bootloader能识别stage2所在分区的文件系统，此后grub程序便有能力去访问/boot/grub/stage2。

stage2： 这一阶段读取并解析grub的配置文件/boot/grub/grub.cnf，根据配置文件加载内核镜像到内存中，通过initrd程序建立虚拟根文件系统，最后调用（转交）内核。

第三步：内部引导阶段

加载内核，核心开始解压，启动一些最核心的程序。为了让内核足够的轻小，硬件驱动并没放在内核文件里面。系统仅探测可识别到的所有硬件设备，加载硬件驱动程序，即加载真正的根文件系统所在设备的驱动程序（有可能会借助于ramdisk加载驱动），以只读方式挂载根文件系统，运行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init。

第四步：init初始化阶段（系统初始化阶段）

虽然CentOS 5、CentOS 6以及CentOS 7的/etc/init配置文件内容各不相同，但总体的启动流程相同：/sbin/init -->根据/etc/inittab配置文件设置默认运行级别 -->运行系统初始化脚本/etc/rc.d/rc.sysinit，完成系统初始化 -->关闭或启动用户选定的默认运行级别所对应的服务 。

对于CentOS 5来说，初始化程序init是SysV init，其配置文件为：/etc/inittab； 对于CentOS 6来说，初始化程序init是upstart，其配置文件为：/etc/inittab， /etc/init/ .conf，也就是upstart将配置文件拆分成多个，在/etc/init/目录下以conf结尾的都是upstart风格的配置文件，而/etc/inittab仅用于设置默认运行级别； 对于CentOS 7来说，初始化程序init是systemd，其配置文件：/usr/lib/system/systemd/, /etc/systemd/system/ ；

具体执行过程：/sbin/init程序会读取/etc/inittab文件确认运行级别，然后执行/etc/rc.d/rc脚本，根据确认的运行级别启动对应/etc/rc.d/rc#.d/目录下的服务（#为0~6），与此同时执行系统初始化脚本/etc/rc.sysinit（软链接，指向/etc/rc.d/rc.sysinit），还会加载/etc/rc.local（软链接，指向/etc/rc.d/rc.local文件）用户自定义服务（脚本）。

CentOS7中初始化进程变为了systemd，systemd即为system daemon，是Linux下的一种init软件，开发目标是提供更优秀的框架以表示系统服务间的依赖关系，并依此实现系统初始化时服务的并行启动，同时达到降低Shell系统开销的效果，最终代替现在常用的System V与BSD风格的init程序。与多数发行版使用的System V风格的init相比，systemd采用了以下的新技术：A.采用Socket激活式与总线激活式服务，以提高相互依赖的各服务的并行运行性能；B.用Cgroup代替PID来追踪进程，即使是两次fork之后生成的守护进程也不会脱离systemd的控制。

第五步：启动终端

根据前面获取的运行级别来启动终端，mingetty程序是用于启动终端的，它会调用登录程序login，这样就能显示出登录提示符了，类似mingetty这种用于打开终端的程序还有getty等。而如果默认运行级别为5，则会打开图形界面。

第一步：硬件启动过程

这一步和CentOS6差不多，详细请看1.1内容。

第二步：GRUB引导阶段

从这一步开始，CentOS6和CentOS7的启动流程区别开始展现出来了。CentOS7的主引导程序使用的是grub2，执行过程是先加载boot.img、core.img两个镜像，再加载MOD模块文件，把grub2程序加载执行，接着解析配置文件/boot/grub/grub.cfg，根据配置文件加载内核镜像到内存，之后构建虚拟根文件系统，最后转到内核。

CentOS7中使用命令进行配置，而不直接去修改配置文件了。grub.cfg配置文件开头注释部分说明了由/etc/grub.d/目录下文件和/etc/default/grub文件组成。改好配置后都需要使用命令grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg，将配置文件重新生成。

第三步：内部引导阶段

这一步与CentOS6也差不多，加载驱动，切换到真正的根文件系统，唯一不同的是执行的初始化程序变成了/usr/lib/systemd/systemd。

第四步：init初始化阶段（系统初始化阶段）

CentOS7中我们的初始化进程变为了systemd。执行默认target配置文件/etc/systemd/system/default.target（这是一个软链接，与默认运行级别有关）。然后执行sysinit.target来初始化系统和basic.target来准备 *** 作系统。接着启动multi-user.target下的本机与服务器服务，并检查/etc/rc.d/rc.local文件是否有用户自定义脚本需要启动。最后执行multi-user下的getty.target及登录服务，检查default.target是否有其他的服务需要启动。

注意：/etc/systemd/system/default.target指向了/lib/systemd/system/目录下的graphical.target或multiuser.target。而graphical.target依赖multiuser.target，multiuser.target依赖basic.target，basic.target依赖sysinit.target，所以倒过来执行。

unit对象：unit表示不同类型的systemd对象，通过配置文件进行标识和配置；文件中主要包含了系统服务、监听socket、保存的系统快照以及其他与init相关的信息。（也就是CentOS6中的服务器启动脚本）

第五步：启动终端

systemd执行sysinit.target

systemd启动multi-user.target下的本机与服务器服务

systemd执行multi-user.target下面的/etc/rc.d/rc.local

Systemd执行multi-user.target下的getty.target及登录服务

getty.target是启动终端的systemd对象。如果到此步骤，系统没有指定启动图形桌面，到此就可以结束了，如果需要启动图形界面，要在此基础上启动桌面程序。

从 CentOS 7 版本之后，系统开始用 systemd 实现init进程，系统启动和服务器守护进程管理器功能，负责在系统启动或运行时，激活系统资源，服务器进程和其它进程。

unit表示不同类型的systemd对象，通过配置文件进行标识和配置；文件中主要包含了系统服务、监听socket、保存的系统快照以及其它与init相关的信息。

3.2 system unit文件格式

/usr/lib/systemd/system：发行版打包者使用，每个服务最主要的启动脚本设置，类似于之前的/etc/init.d/

/etc/systemd/system：系统管理员和用户使用，管理员建立的执行脚本，类似于/etc/rcN.d/Sxx的功能，比上面目录优先运行

/lib/systemd/system:：ubutun的对应目录

/run/systemd/system：系统执行过程中所产生的服务脚本，比上面目录优先运行

unit 格式说明：

service unit file文件通常由三部分组成：

Unit段的常用选项：

Service段的常用选项：

Install段的常用选项：

注意：对于新创建的unit文件，或者修改了的unit文件，要通知systemd重载此配置文件,而后可以选择重启。

首先在启动界面按e编辑启动参数,

将ro参数更改为rw init=/sysroot/bin/sh，按ctr + x启动系统

按下图执行命令更改root密码

    昨天在写关于linux设置脚本开机启动的文章时，有个疑问就是开机时怎么确认运行级别，然后遍历执行/etc/rcN.d/目录下的所有服务程序。带着疑问， 在前人的基础上 学习总结一下linux系统初始化的工作的内容，现在树莓派4B上展示出来。

1、加载内核

    当计算机打开电源后，首先是BIOS开机自检，按照BIOS中设置的启动设备（通常是硬盘）来启动。旅山 *** 作系统接管硬件以后，首先读入 /boot 目录下的内核文件。树莓派4B的内核是Raspbian GNU/Linux 10 (buster)，基于Debian。

2、初始化进程init

    内核文件加载以后，运行第一个程序init，它的作用是初始化系统环境。init位于目录/sbin，进程号PID为1，即1号进程，其他所有进程都由init衍生，是init的子进程。

    同时还有个0号进程，idle进程，在系统初始化时由内核kernel自身从无到有创建，通过调用kernel_thread创建一个内核线程去执行init函数，0号进程创建1号进程。

3、运行级别

    具体介绍请参考笔者的文章-Linux运行级别简介  ，但是开机时是怎么确定运行级别的呢？

    init进程首先读取文件 /etc/inittab，它是运行级别的设置文件。但是各个发行版不太一样，init的仔稿配置文件也不一样，有可能使用/etc/event.d里面的配置文件，最新版的改用为/etc/init目录。

4、开机启动程序

    具体详情请参考文章-linux中/etc/init.d设置开机启动 ，确定运行级别后，执行rcN.d目录下的文件，这些链接文件是连接到init.d目录下的程序。init进程逐一加载开机启动程序，其实就是运行这个目录里的启动脚本。

    比如运行级别为5（图形化多用户）时启动的程序：

5、用户登录

    开机启动程序加载完毕以后用户登录。用户的登录方式有三种：

    命令行登录：init进程调用getty程序。

    ssh登录：init进程调用sshd程序。

    图形界面登录：init进程调用显示管理器，Gnome图形界面对应的显示管理器为gdm。

6 、login shell

    默认shell时bash，命令行界面，让念镇孝用户可以直接与 *** 作系统对话。读取环境变量，具体请参考笔者文章-Linux环境变量的设置。

1)初始化RAM因为Linux内核一般都会在RAM中运行，所以在调用Linux内核之前Bootloader必须设置和初始化RAM，为调用闷态Linux内核做好准备。初始化RAM的任务包括设置CPU的控制寄存器参数，以便能正常使用RAM以及检测RAM大小等。

2)初始化串口端口在Linux的启动过程中有着非常重要的作用，它是Linux内核和用户交互的方式之一。Linux在启动过程中可以将信息通过串口输出，这样便可清楚的了解Linux的启动过程。虽然它并不是Bootloader必须要完成的工作，但是通过串口输出信息是调试Bootloader和Linux内核的强有力的工具，所以一般的Bootloader都会在执行过程中初始化一个串口作为调试端口。

3)检测处理器类型Bootloader在调用Linux内核前必须检测系统的处理器类型，并将其保存到某个常量中提供给Linux内核。Linux内核在启动过程中会根据该处理器类型调用相应的初始化程序。

4)设置Linux启动参数Bootloader在执行过程中必须设置和初始化Linux的内核启动参数。

5)调用Linux内核映像Bootloader完成的最后一项工作便是调用Linux内核。如果Linux内核存放在Flash中，并且可直接在上面运行（这里的Flash指NorFlash），那么可直接跳毕悄转到内核中去执行。但由于在Flash中执行代码会有种种限制，而且速度也远不及RAM快，所以一般手罩渣的嵌入式系统都是将Linux内核拷贝到RAM中，然后跳转到RAM中去执行。

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