Chapter 5 - How the Linux Kernel Boots

Created by : Mr Dk.

2019 / 06 / 25 0:14

@dorm, NUAA, Nanjing, Jiangsu, China

内核如何启动？

  1. BIOS 或固件装载并运行 boot loader
  2. boot loader 找到磁盘上的内核映像，将其装入内存并启动
  3. 内核初始化设备及其驱动
  4. 内核挂载根文件系统
  5. 内核启动 PID 为 1 的程序 init - 此时用户空间启动
  6. init 启动剩余的系统进程
  7. init 启动一个用于登录的进程

5.1 Startup Messages

传统的 Unix 系统会打印大量表示启动过程的信息，但现代系统已经尽可能隐藏这些信息了。如果想看，可以：

  • 查看内核日志文件 - /var/log/kern.log
  • 使用 dmesg 命令，但需要通过管道连接到 less 中，否则太多

5.2 Kernel Initialization and Boot Options

Linux 内核的初始化顺序：

  1. CPU 检查
  2. 存储器检查
  3. 发现设备总线
  4. 发现设备
  5. 内核辅助子系统启动
  6. 根文件系统挂载
  7. 用户空间启动

5.3 Kernel Parameters

在运行 Linux 内核时，boot loader 传递一系列文本参数 (kernel parameters)，告诉内核它应该如何启动。可以在 /proc/cmdline 中查看内核参数：

$ cat /proc/cmdline
BOOT_IMAGE=/boot/vmlinuz-4.15.0-51-generic root=UUID=af284c6e-d36f-410d-8c9e-950532e5ee89 ro console=tty1 console=ttyS0
  • one-word flags
  • key=value pairs

其中，root 代表根文件系统所在位置：

  • 可以是一个设备文件（分区）
  • 现在桌面系统中，UUID 更加流行

ro 命令内核以 read-only 的方式挂载根文件系统：

  • 确保 fsck 能够安全地检测根文件系统
  • 检测完成之后，内核重新以 read-write 模式挂载根文件系统

对于内核不认识的参数，内核会将其作为 init 函数的参数传递过去。

5.4 Boot Loaders

在启动的过程中，由 boot loader 来启动内核。功能看起来很简单：将内核装载到内存中，将一些列 kernel parameter 传递给内核，并启动内核。但是 boot loader 必须能够回答以下问题：

  • 内核在哪里？
  • 当内核启动时，应当将哪些参数传递给它

显然，内核及其参数肯定位于根文件系统的某个位置。然而，此时内核还没有开始运行，因此无法通过遍历文件系统来寻找。此外，用于访问磁盘的设备驱动也无法使用 - chicken or egg problem。在 PC 上，boot loader 使用以下两种方式访问磁盘：

  • Basic Input/Output System (BIOS)
  • Unified Extensible Firmware Interface (UEFI)

几乎所有的磁盘硬件都有允许 BIOS 使用 Linear Block Addressing (LBA) 来访问存储的固件，这种访问方式性能很低，但允许磁盘的完全访问。Boot loader 通常是使用这种访问方式的唯一程序。内核使用其高性能的驱动程序访问磁盘。

有一些先进的 boot loader 能够读取分区表，并提供了内置以 read-only 的方式访问文件系统的支持。因此 boot loader 可以寻找并读取文件。

5.4.1 Boot Loader Tasks

一个 Linux boot loader 的核心功能：

  • 在多个内核中选择
  • 在一系列内核参数中切换
  • 允许用户手动覆盖或编辑内核映像名和参数
  • 提供启动其它操作系统的支持

5.4.2 Boot Loader Overview

  • GRUB：Linux 系统的基本标配
  • LILO：最早期的 Linux boot loader 之一
  • SYSLINUX
  • LOADLIN：从 MS-DOS 启动内核
  • efilinux
  • coreboot
  • Linux Kernel EFISTUB - 内核插件，直接从 ESP 分区装载内核

5.5 GRUB Introduction

GRUB - Grand Unified Boot Loader。GRUB 最重要的能力是文件系统导航，使得选择内核映像和配置更加简单 (从 GRUB 的菜单就可以看出)。当 BIOS 或固件启动时，按住 shift 可以进入 GRUB 菜单；在菜单界面超时后，会自动启动。按下 e 按钮可以查看 boot loader 的配置命令。

setparams 'Ubuntu, with Linux 3.2.0-31-generic-pae'
recordfail
gfxmode $linux_gfx_mode
insmod gzio
insmod part_msdos
insmod ext2
set root='(hd0,msdos1)'
search --no-floppy --fs-uuid --set=root 4898e145-b064-45hd-b7b4-7326b00273b7
linux /boot/vmlinuz-3.2.0-31-generic-pae root=UUID=489e145-b064-45bd-b7b4-7326b00273b7 ro quiet splash $vt_handoff
initrd /boot/initrd.img-3.2.0-31-generic-pae
  • 内核映像为 /boot/vmlinuz-3.2.0-31-generic-pae
  • 根文件系统由 UUID 标识
  • 内核参数包含 ro、quiet、splash
  • 初始化 RAM 文件系统为 /boot/initrd.img-3.2.0-31-generic-pae

GRUB 只用于启动内核，因此不依赖于内核。上述命令全部是 GRUB 的内部命令

  • GRUB 有自己的内核
  • GRUB 有自己的 insmod 命令，用于动态载入 GRUB 模块
  • 很多 GRUB 命令和 Unix shell 的命令类似，比如 ls

上述命令中，只有 linux 命令下的 root 表示根文件系统的位置。其它 root 是 GRUB 的 root，是 GRUB 搜索内核和 RAM 文件系统映像的位置。在上述命令中，root 首先被设定为 hd0,msdos1，并在之后指定了一个 UUID，GRUB 在分区上查找该 UUID。如果找到，则将 root 设定为该 UUID 所在分区，linux 和 initrd 命令表示从 GRUB root 所在分区中的 /boot 目录下载入映像。以上配置命令可以在 GRUB 中修改。

5.5.1 Exploring Devices and Partitions with the GRUB Command Line

通过按下 C 可以进入 GRUB 命令行

Listing Devices

grub> ls
(hd0)  (hd0,msdos1)  (hd0,msdos5)
  • ls 命令列出了 GRUB 识别的所有设备
  • msdos 表示磁盘包含 MBR 分区表，因此可能会有 gpt 的前缀

使用 ls -l 可以详细查看各个分区的信息：

  • 文件系统类型
  • 大小、最后修改时间
  • UUID

File Navigation

GRUB 的文件系统导航能力

grub> echo $root
hd0,msdos1

grub> ls (hd0,msdos1)/

grub> ls ($root)/

grub> ls ($root)/boot

使用 set 命令可以查看所有的 GRUB 变量：

grub> set
?=0
color_highlight=black/white
color_normal=white/black
--snip--
prefix=(hd0,msdos1)/boot/grub
root=hd0,msdos1

$prefix 是 GRUB 寻找其配置文件和额外支持的路径。

5.5.2 GRUB Configuration

GRUB 的配置目录包含一个核心配置文件 grub.cfg 和大量可装载的模块 -.mod。

Reviewing Grub.cfg

Generating a New Configuration File

5.5.3 GRUB Installation

Installing GRUB on Your System

安装 boot loader 需要用户或安装器决定：

  • GRUB 的目标路径，默认为 /boot/grub，但其它操作系统不同
  • GRUB 安装的目标设备
  • 对于 UEFI 启动，还需要 UEFI boot 分区的挂载点

GRUB 是一个模块化的系统，需要读取文件系统下的 GRUB 路径。所以在 Linux 上，只需要将 GRUB 和 ext2.mod 预装载版本放置在磁盘的启动区，其余部分放置在 GRUB 的目录下即可。

5.6 UEFI Secure Boot Problems

UEFI 的安全机制要求 boot loader 必须被可信方签名后才可运行，无法安装未被签名的 boot loader。

5.7 Chainloading Other Operating System

UEFI 使得装载其它操作系统变得简单，因为可以在 EFI 分区中安装多个 boot loader。通过 chainloading，可以使 GRUB 装载并运行一个指定磁盘分区上的另一个 boot loader。

5.8 Boot Loader Details

两种主要的启动模式：

  • MBR
  • UEFI

5.8.1 MBR Boot

Master Boot Record (MBR) 除了包含分区信息以外，还包括一个 441 Bytes 的区域。用于 BIOS 在 Power-On Self-Test (POST) 之后装载并执行。但由于这个区域对于 boot loader 来说太小，需要一个额外的空间 - 即所谓的 multi-stage boot loader。此时，MBR 的初始空间只用于装载 boot loader 的剩余代码，剩余部分的 boot loader 代码通常位于 MBR 和磁盘第一个分区之间。

5.8.2 UEFI Boot

PC 制造商和软件公司意识到传统的 BIOS 有诸多局限，因此开发了替代品 - Extensible Firmware Interface (EFI)，目前的标准是 Unified EFI (UEFI)：

  • 包括一个内置的 shell
  • 和读取分区表，导航文件系统的能力

GPT 分区模式是 UEFI 标准的一部分。总是会有一个特殊的文件系统 - EFI System Partition (ESP)。

  • 包含一个名为 efi 的目录
  • 每个 boot loader 有其自身的标识和对应的子目录
  • .efi 的 boot loader 文件分别存放在每个子目录中

BIOS 和 UEFI 的 boot loader 版本是不同的。

5.8.3 How GRUB Works

  1. BIOS/固件初始化硬件，搜索带有 boot code 的存储设备
  2. BIOS/固件载入并执行 boot code - GRUB begins
  3. GRUB core 装载
  4. GRUB core 初始化，现在 GRUB 可以开始访问磁盘和文件系统
  5. GRUB 识别其 boot 分区，加载配置文件
  6. GRUB 给用户提供修改配置的机会
  7. 在用户选择或超时后，GRUB 执行当前配置
  8. GRUB 在 boot 分区中加载其它代码 (modules)
  9. GRUB 执行 boot 命令，装载并执行内核

问题：Where is the GRUB core? 除了 ESP 以外，BIOS 读取 MBR 的 512 字节，即 GRUB 开始的地方，不包含 GRUB core，但包含 GRUB 的起始位置，和从该位置加载的代码。如果使用 ESP，则固件可以直接寻找到 GRUB core 的文件并执行。