操作系统的启动

在进行开发和实验之前，我们有必要讲一下操作系统的启动过程。操作系统（OS）的启动过程因设备类型不同（通用计算机与嵌入式设备）而略有差异。但总体上可以归纳为三阶段：

  • 第一步 板载固件：上电后，首先执行的程序便是板载固件，它可能提供了一些固件检测、配置设备的功能，但它主要还是用于加载第二步的引导程序
  • 第二步 引导阶段：引导程序（Bootloader）的主要功能是引导操作系统内核，使其能够正常运行。它还可能为内核提供启动所需的参数
  • 第三步 操作系统内核：操作系统内核被加载到内存，开始执行

固件

BIOS的概念由Gary Kildall在开发CP/M操作系统时首次提出，它的作用是为操作系统提供硬件抽象层，以便在不同硬件平台上运行，后来随着计算机软硬件技术的发展，BIOS逐渐被UEFI取代。

如今，许多通用计算机设备都自带UEFI固件，计算机上电后，首先执行UEFI固件：

  • 初始化硬件设备，例如CPU、内存、键盘、显示器等
  • 执行电源自检（POST, Power-On Self-Test），检查硬件状态是否正常
  • 查找启动设备（如硬盘、U盘、网络）并加载引导程序（Bootloader）
  • UEFI还支持图形界面、网络引导以及更大的分区表（GPT）

引导程序

在我们的常见的个人计算机中，操作系统内核通常位于磁盘的某个分区中，磁盘使用GPT、MBR分区格式。现代操作系统会使用特定的引导程序加载内核，常见的引导程序有：用于Linux内核的引导程序GRUB、嵌入式引导程序Uboot、Windows Boot Manager。

以从磁盘启动，GRUB引导为例，UEFI程序首先寻找可启动的设备，从磁盘的EFI系统分区加载引导程序，引导程序可能会提供以下的功能：

  1. 硬件初始化

    • 配置必要的硬件设备，例如CPU、内存控制器、中断控制器等

    • 为后续的系统启动做好准备，包括设置时钟频率、初始化缓存（Cache）和内存管理单元

  2. 加载操作系统内核

    • 从指定的存储设备（如硬盘、SD卡、网络或其他非易失性存储器）加载内核映像到内存中
    • 解析和加载其他必要的启动文件，例如设备树（Device Tree）、初始RAM盘（initramfs）或驱动程序

  3. 内核启动前的配置

  • 提供内核启动所需的参数，例如启动命令行参数
  • 设置内存映射或其他资源分配，确保内核在加载后能正确使用系统资源
  • 如果使用多核处理器，可能需要进行初步的多核配置

  1. 引导流程管理

    • 支持多种引导模式，例如单用户模式、调试模式、恢复模式
    • 实现引导菜单，供用户选择不同的内核或操作系统版本

  2. 错误处理

    • 在加载内核或初始化硬件过程中发生错误时，提供诊断信息或提示用户采取措施
    • 记录错误日志，便于调试和排查问题

  3. 用户交互

    • 提供用户接口，用于选择引导选项或修改引导配置
    • 一些高级引导程序还支持脚本化引导流程

操作系统内核

最后，引导程序将操作系统内核加载到内存中，并将CPU控制权交给操作系统内核，系统内核会：

  • 初始化硬件和驱动程序
  • 建立虚拟内存管理
  • 创建系统进程
  • 挂载根文件系统，启动用户空间服务，完成系统启动