Linux内核引导过程解析：从电源启动到内核初始化-优快云博客

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Linux内核引导过程解析：从电源启动到内核初始化

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计算机启动的底层原理

当按下电源按钮时，计算机开始了一段精密的启动过程。主板首先向电源发送信号，电源准备好后会向主板发送"电源正常"信号。收到这个信号后，主板开始初始化CPU，CPU将所有寄存器重置为预定值。

在x86架构中，CPU复位后的寄存器初始状态为：

IP(指令指针)：0xfff0
CS(代码段选择器)：0xf000
CS基址：0xffff0000

此时CPU运行在实模式(Real Mode)下，这是x86处理器为了兼容早期8086处理器而保留的工作模式。

实模式内存寻址机制

实模式采用段式内存管理，物理地址计算公式为：

物理地址 = 段寄存器值 × 16 + 偏移量

例如CS:IP为0x2000:0x0010时：

0x2000 × 16 + 0x0010 = 0x20010

这种模式下CPU只能访问1MB内存空间，通过A20地址线控制可以访问更多内存。

BIOS启动过程

CPU执行的第一条指令位于0xFFFFFFF0地址，这个地址被映射到主板ROM中。ROM中的代码是BIOS的入口点，BIOS会：

进行硬件自检(POST)
初始化硬件设备
按照配置顺序查找可启动设备
加载并执行启动设备的引导扇区代码

引导扇区与MBR结构

在硬盘设备上，BIOS会查找主引导记录(MBR)，它位于第一个扇区(512字节)中：

前446字节：引导代码
随后64字节：分区表
最后2字节：魔数0x55AA(标识有效引导扇区)

一个简单的引导扇区示例(汇编语言)：

[BITS 16]
[ORG 0x7c00]

boot:
    mov al, '!'
    mov ah, 0x0e
    int 0x10
    jmp $

times 510-($-$$) db 0
db 0x55
db 0xaa

这段代码会在屏幕上显示一个感叹号，然后进入无限循环。

GRUB2引导加载程序

现代Linux系统通常使用GRUB2作为引导加载程序，它的工作流程是：

BIOS加载并执行GRUB2的第一阶段代码(boot.img)
boot.img加载并执行core image(diskboot.img)
core image加载GRUB2内核和文件系统驱动
GRUB2读取配置文件并显示启动菜单
用户选择后，GRUB2加载并启动选中的操作系统

内核启动协议

引导加载程序需要按照Linux内核启动协议准备内核运行环境，包括：

设置正确的段寄存器值
初始化堆栈
清零BSS段
填充内核头部的必要字段

内核头部定义(header.S)包含关键信息：

.globl hdr
hdr:
    setup_sects: .byte 0
    root_flags:  .word ROOT_RDONLY
    syssize:     .long 0
    vid_mode:    .word SVGA_MODE
    root_dev:    .word 0
    boot_flag:   .word 0xAA55

内核设置代码执行

内核设置代码从_start标签开始，主要完成以下工作：

统一所有段寄存器值
设置堆栈指针
检查魔数签名(0x5A5AAA55)
清零BSS段
跳转到main()函数(C代码入口)

堆栈设置需要考虑三种情况：

SS寄存器已经是期望值(0x10000)
SS不是期望值但可以使用堆栈(CAN_USE_HEAP标志置位)
SS不是期望值且不能使用堆栈

进入C语言环境

完成所有准备工作后，通过call指令跳转到main()函数，这是内核中第一个执行的C代码，位于arch/x86/boot/main.c。

main()函数将进行更复杂的初始化工作，包括：

内存检测
设置视频模式
初始化控制台
检测CPU特性
解压内核映像等

至此，计算机完成了从按下电源键到开始执行内核C代码的完整引导过程。这个过程涉及硬件初始化、固件操作、引导加载程序和内核设置代码的精密配合，为操作系统正常运行奠定了基础。

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