Linux启动初解

引用：chatgpt

1. linux启动顺序：

Linux从上电开始到完全启动经历了多个阶段，以下是一个一般的启动过程的详细描述：

1. BIOS/UEFI阶段：

   • 上电自检（POST）： 当计算机上电时，基本输入输出系统（BIOS）或统一可扩展固件接口（UEFI）执行上电自检，检查硬件的基本功能。
   • 引导设备选择： BIOS/UEFI从可引导设备中选择一个，通常是硬盘、固态硬盘、USB驱动器或网络引导。
   • 主引导记录（MBR）或EFI系统分区： BIOS系统使用主引导记录（MBR），而UEFI系统使用EFI系统分区，其中包含引导加载程序的信息。

2. 引导加载程序阶段：

   • 引导加载程序加载： BIOS加载MBR，UEFI加载EFI系统分区中的引导加载程序（如GRUB）。引导加载程序负责加载操作系统内核。
   • GRUB加载内核： 如果使用GRUB，它将加载Linux内核映像（vmlinuz）。

3. Linux内核启动阶段：

   • 内核初始化： Linux内核被加载后，它首先进行一些基本的初始化，包括设置内存管理、初始化进程、初始化调度器等。
   • 挂载根文件系统： 内核会尝试挂载根文件系统，这通常是包含用户空间程序和系统配置的文件系统。在这个阶段，根文件系统可以是一个RAM文件系统（initramfs）。

4. initramfs阶段（可选）：

   • 解压initramfs： 如果使用了initramfs，内核会将其解压缩到内存中。
   • 提供必要的模块： initramfs包含启动所需的基本文件和模块，例如文件系统模块、磁盘驱动程序等。

5. 用户空间初始化阶段：

   • 执行init： 内核启动的最后一步是执行用户空间的init程序。init是用户空间的第一个进程，其PID为1。
   • 运行初始化脚本： init负责运行系统初始化脚本，例如/etc/rc.d或/etc/init.d中的脚本。这些脚本负责启动系统服务和设置环境。
   • 切换到多用户模式： 一旦初始化脚本执行完毕，系统通常切换到多用户模式，等待用户登录。

6. 用户登录：

   • getty和登录提示： getty等程序负责在虚拟控制台上显示登录提示，等待用户输入用户名和密码。
   • 用户验证： 用户输入用户名和密码后，系统验证用户身份。
   • 启动用户shell： 一旦用户身份验证成功，系统启动用户的shell，用户便可以开始使用系统。

这是一个简化的Linux启动过程。实际情况可能因不同的发行版、系统配置和引导方式而有所不同。例如，一些系统可能使用systemd而不是传统的init进程，而另一些系统可能使用其他引导加载程序而不是GRUB。

2. 上电自检时还没有设备驱动程序，如何做到对各种设备自检的？

上电自检（POST）是计算机启动过程的一部分，它主要由计算机的基本输入输出系统（BIOS）或统一可扩展固件接口（UEFI）执行。在这个阶段，确实还没有操作系统的设备驱动程序加载，但是通过BIOS或UEFI固件本身的一些内置程序和硬件自身的功能，计算机可以进行一些基本的设备自检。

上电自检的目标是确保计算机的基本硬件组件能够正常运作，包括但不限于：

1. 处理器检测： 确认处理器是否能够正确启动和执行指令集。

2. 内存检测： 对系统内存进行检查，确保没有故障或损坏。

3. 显卡检测： 验证显卡是否能够正常工作，通常通过在屏幕上显示一些基本的图形或文本信息来检测。

4. 存储设备检测： 检查硬盘、固态硬盘、光驱等存储设备是否被正确识别。

5. 输入设备检测： 验证键盘和鼠标等输入设备是否连接正常。

6. 主板和外围设备检测： 包括对主板上的芯片组、外围接口等的检查。

这些检测主要通过固件中的一些预定义的程序来完成，这些程序通常嵌入在计算机的主板上的只读存储器（ROM）中。这些自检程序是硬件自身的一部分，不需要操作系统的支持。如果在这个阶段发现硬件故障，计算机可能会发出蜂鸣声或显示错误信息，提示用户存在问题。

需要注意的是，虽然上电自检是启动过程的一部分，但它并不涉及到所有可能的硬件和设备的详尽测试。一些高级的硬件自检和设备初始化工作可能需要在操作系统启动后由设备驱动程序负责完成。上电自检主要关注的是确保计算机在启动时的基本硬件状态是良好的。

3. 上电自检与设备驱动程序区别：

上电自检（POST）确实是对同一类设备进行自检，但它的目的和特性与设备驱动程序提供的接口是不同的。

1. POST目的： 上电自检的主要目的是确保计算机的基本硬件能够正常运作。它检测的内容通常是硬件的基本健康状态，包括处理器、内存、显卡、存储设备等。POST不提供通用的接口供应用程序使用，而是用于确保系统的基础设施正常。

2. 设备驱动程序接口： 设备驱动程序的目的是为应用程序提供一个统一的、通用的接口，使得应用程序可以与各种设备进行通信，而无需了解底层硬件的细节。设备驱动程序提供了抽象层，隐藏了底层硬件的复杂性，使得应用程序可以通过相同的接口来访问不同类型的设备。

3. 灵活性和功能性： 设备驱动程序通常是可加载和可卸载的，允许系统在运行时动态添加或移除设备支持。它还负责设备的管理和控制，以及实现设备特有的功能。相比之下，POST是一个在系统启动时执行的固定流程，用于检测硬件状态，而不具备动态加载和设备管理的功能。

总的来说，POST和设备驱动程序是系统启动过程中两个不同层次的概念。POST是一个较早阶段的硬件自检过程，而设备驱动程序是在操作系统启动后为应用程序提供设备访问接口的一部分。虽然它们都涉及设备的检测和初始化，但它们的设计目标和使用场景是不同的。POST主要关注硬件自检，而设备驱动程序关注提供通用的、抽象的设备访问接口。

POST（上电自检）的主要作用是确保设备的各个硬件组件能够正常启动和通信，而不是确保这些组件的功能是正常的。POST主要关注硬件的基本健康状态，例如：

1. 硬件连接： POST检查硬件设备的连接是否良好，例如内存模块、扩展卡等。

2. 电源供应： POST确保设备的电源供应是稳定的，以及各个部件接收到了正确的电源。

3. 基本硬件通信： POST通过检测设备的基本硬件通信，如处理器、内存、显卡等，确保它们能够相互通信和协同工作。

POST并不会深入测试每个硬件组件的具体功能，它主要是一个快速的自检过程，用于确定硬件是否处于一种基本的可用状态。因此，POST不能保证硬件的所有功能都是正常的。例如，POST不会测试硬盘的读写能力、显卡的图形性能等。

一旦POST完成并且硬件被确认为正常，系统会继续引导操作系统。在操作系统启动后，设备驱动程序和其他系统组件接管了对硬件的控制和管理，包括确保硬件的功能正常工作。所以，POST是确保硬件基本工作状态的一个重要步骤，但对于功能性测试，特别是对高级硬件功能的测试，还需要操作系统和相应的设备驱动程序。

在Linux系统启动的早期阶段，尤其是在内核加载设备驱动程序之前，Linux内核本身是具有对一些基本设备的读写能力的。这是通过内核的一些基础子系统和通用驱动程序来实现的。

具体来说，在Linux系统启动时，内核会包含一些基本的通用驱动程序，这些驱动程序提供了对硬件的基本支持。例如：

1. 基本输入输出系统（BIOS）和UEFI支持： 这些是在上电自检（POST）之后执行的，它们提供了对基本硬件的访问，以及引导操作系统的必要功能。

2. 内存管理和文件系统： Linux内核在启动时负责初始化内存管理，使得操作系统可以使用系统内存。此外，文件系统的基本功能也在早期阶段启用，以便内核能够访问文件系统中的一些关键文件和配置。

3. 字符设备和块设备子系统： Linux内核提供了通用的字符设备和块设备子系统，使得内核能够与硬件设备进行交互。这使得内核能够进行基本的设备访问和控制。

这些通用驱动程序和子系统使得内核在加载特定设备驱动程序之前就具备了一些基本的读写设备的能力。然而，对于更特定、高级或特殊功能的设备，需要相应的设备驱动程序来提供更详细的支持和功能。

一旦特定的设备驱动程序加载到内核中，它们就会覆盖或扩展内核的通用功能，从而为特定硬件设备提供更全面的支持。这使得操作系统和应用程序能够利用设备的全部功能，而不仅仅是内核提供的基本能力。

4. 设备驱动程序作用：

设备驱动程序是操作系统中的一部分，其主要功能是提供一个抽象接口，使应用程序和操作系统能够与硬件设备进行通信。上电自检（POST）中的程序主要用于进行基本的硬件自检和初始化，并不提供通用的接口供应用程序使用。下面是设备驱动程序的一些主要用途和设计原因：

1. 抽象硬件细节： 设备驱动程序的一个主要目的是抽象硬件细节，使得应用程序能够使用通用的接口来访问设备，而不必关心底层硬件的具体实现。这提高了应用程序的可移植性，因为应用程序可以不加修改地在不同硬件平台上运行。

2. 提供统一的接口： 设备驱动程序为不同种类的设备提供了统一的接口，使得应用程序可以通过相同的方式与各种设备进行交互。这种一致性简化了应用程序的开发和维护。

3. 支持多任务和多线程： 设备驱动程序负责管理对设备的访问，以确保多个应用程序或线程可以同时访问设备而不会发生冲突。这是通过使用互斥锁、信号量等机制来实现的。

4. 实现高层抽象： 设备驱动程序可以通过提供高层次的抽象来简化应用程序的操作。例如，一个网络适配器的设备驱动程序可以提供一个抽象层，隐藏底层硬件的细节，使得应用程序可以使用高级的网络协议而不必关心底层网络设备的具体细节。

5. 实现设备特有的功能： 设备驱动程序能够实现设备特有的功能和特性。这包括与硬件相关的优化、特殊功能的支持、错误处理等。这样，应用程序不需要关心设备的具体实现，只需要通过设备驱动程序提供的接口进行通信。

6. 动态加载和卸载： 操作系统的设备管理框架通常支持动态加载和卸载设备驱动程序。这意味着可以在运行时加载新的设备驱动程序，而不必重新启动系统。这对于支持热插拔设备和动态配置系统非常重要。

虽然上电自检程序能够进行基本的硬件自检和初始化，但它们并不提供通用的接口供应用程序使用。设备驱动程序的引入使得操作系统更灵活，能够支持各种设备，并为应用程序提供一个一致且易用的接口，同时隐藏了底层硬件的复杂性。