全國Linux領域貢獻最多的十大工程師之一

X86架構服務器資深專家，30年IT領域經驗

文章摘自聯想超級課

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今天我們講一下X86Linux的啟動。

一個計算機的啟動，最主要就是CPU的啟動。CPU啟動就是把這個CPU的裡邊的各個寄存器設置到一個已知的、固定的狀態，並且從這裡開始執行。

01 指針啟動

如下圖的右邊這有幾個就是 X86 的話的一些比較清晰可見的寄存器，其中最重要的是 EIP，即指令指針。

指令指針就表示它要執行的下一個指令，當我們 CPU 一發生 Reset 以後，這個EIP作為一個固定的值，就會從這裡開始執行，這裡通常是 BIOS 的程序。

X86 的 CPU 有三種啟動方式：

• 第一種是加電啟動
• 第二種是 Reset
• 第三個是 INIT

加電啟動和 Reset 非常類似，不但把右邊的這些值都設到一個固定的狀態，我們還把CPU其它的很多寄存器都設置到一個已知的固定的狀態。

那麼INIT不同呢？它僅僅是把右邊的這些設置到一個固定的已知的狀態，其它的寄存器它基本上保持不動。目的就是為了你啟動完之後還能讀原來寄存器裡的東西。這些寄存器主要是記錄了一些上一次啟動的CPU錯誤狀態，這樣我們可以以此來做診斷。

現在說Power On 通常叫做冷啟動，Reset 我們通常叫做熱啟動，它倆是基本一致，但是 INIT 就很不同，但是總體上來說，它還是從CPU一個固定的狀態開始執行程序，X86 Reset之後，它就處於一個 Real Address 模式。

這個講起來話長，因為 X86 的歷史比較悠久，從80、86、80、88 ，它現在有Real Address模式有protect模式，還有現在X86 64模式，Reset 之後它一定是處於 Real Address 模式，每個CPU被Reset之後，它從一個固定的地方開始執行。

第一個通常是它要執行一個協議，選取一個CPU來執行，其他CPU都等待，我們要選取一個所謂主CPU（其實它的標準術語叫Bootstrapping CPU），就是說選完了之後，只有主CPU 繼續執行，其它都進入一個等待狀態，就是等待所有的其它CPU都等待這個BSP給它發指令，它再開始繼續執行。

BSP選出來之後，它就開始執行BIOS代碼，這個BIOS代碼通常我們又叫它POST過程，它相當於機器一個自檢，當機器自檢完了 ，BIOS走完了之後，它要做的一件事情就是要找到一個文件，並且把它讀到內存裡，然後開始執行它。

這個時候我們認為post自檢完了，要開始讀取並執行第一個外部程序，一般叫它Boot Load，那麼它這個如何找到並讀取並執行它呢？

第一個問題主要是找到並讀取它，這裡又分幾種，比如

• 從光盤啟動
• 從網絡啟動
• Legacy BIOS模式啟動
• UEFI模式啟動

Legacy BIOS 啟動

Legacy BIOS一般都從某個硬盤上啟動，通常在過去這個叫C盤，因為過去只有一個盤叫C盤，現在當然磁盤很多了，你還是要指定一個啟動盤，從哪個卡上的哪個盤來啟動。

如果是指定了，它就讀你指定的盤，這個硬盤的同一個扇區，512字節。讀進來之後，首先檢查扇區的標記，標記這塊盤是不是可以啟動的，如果標記它不是可以啟動的，那麼它會報告一個錯誤，大概就是找不到啟動盤之類。

如果標記的它是可以啟動的一個硬盤，那麼它就會開始執行，當然了這時候這個扇區的內容已經在內存裡了，它就開始執行從0開始一個446字節長度的這個小程序，當然了我們看這個程序很小，所以它其實它還要想辦法，讀到另外一個更大的程序，才能夠把我們說的Boot Load，比如說Grub完完全全加載起來，光446字節肯定是不行的。

UEFI BIOS 啟動

UEFI BIOS會好一點，它主板上記錄的是一個啟動文件路徑，這個啟動文件路徑就是某個盤某個分區裡面的某個文件，這個分區是什麼文件系統呢？通常它是FAT32文件系統，又叫ESP文件系統。

如果UEFI想啟動，一定存在這麼一個分區，它有這麼一個FAT文件系統，然後在裡面有某一個程序，都是寫在NVRAM裡頭，我們叫做啟動項，它把那個程序讀進來，執行它。

這樣看UEFI肯定比Legacy要好多了。Legacy第一步你必須是446字節的那個，UEFI一下子可以把整個文件讀進來，不需要分幾步來做。

光盤啟動

從光盤啟動是怎麼啟動呢？光盤在Legacy模式下，它有一個讀一個特殊的記錄，這個記錄標註它是啟動記錄，這個啟動記錄可以任意的，沒有過去光盤446字節的限制了。

所以說其實儘管在Legacy模式下，從CD上啟動它也要容易一些，因為它就是讀固定的記錄，記錄一個任意大的文件，讀進來直接執行。

如果在UEFI下它也是一個啟動記錄，但是這個記錄本身，並不是一個文件，它是一個文件系統的鏡像。這個文件系統有啥東西呢？可能主要有啟動文件。

為什麼UEFI跟Legacy啟動模式的不一樣呢，在理論上來說它需要區分，你是Legacy BIOS，你就讀那一個記錄，那個記錄就是個文件，直接讀取來執行它。那如果你是UEFI，那你就找到FAT32的鏡像，這裡面有文件，然後你把它讀進來執行。

不管是Legacy還是UEFI BIOS，如果都不行，還可以從網絡啟動，從網絡啟動也是要首先要找到並且把一個啟動文件讀進來，那麼這裡它就稍微費勁一點。

網絡啟動

網絡啟動最早功能全部寫在網卡里，也就是說每個網卡廠商都自己寫了一段從網絡的啟動的程序，然後把它燒在網卡里，後來有UEFI之後，Intel就主導制定了一個PXE協議，這個PXE其實就是把這些網絡啟動要用的公共的東西，納入到了BIOS功能裡。

比如說TCP-IP、TFTP、DHCP，這些東西跟網卡沒有關係，網卡要做的就是收發報而已。

PXE協議分四步：

第一步，必須有DHCP，先發DHCP包，我要取得IP地址，才能做後面的事情，如果你是想啟動的話，在DHCP包裡面還附加了很多東西，附加了一些標記。

第二步，在包發出去之後，看到這個標記的人，如果他能提供PXE服務，也會響應關於PXE的東西。

PXE響應它什麼呢？有幾個IP地址，這幾個地址是可以提供啟動服務的，而且每個IP地址它什麼文件，都可以告訴你。

最後一步，有了啟動服務器的地址和我要啟動的文件，那麼我就通過TFTP從這個服務器下載這個文件就可以了。

下面這是一檔例子，在標準的DHCP服務裡，附帶提供PXE支持，它支持在哪呢：首先它檢視DHCP包裡面是不是包含這個字段，如果包含這個字段，就告訴你啟動服務器是誰，你去跟他找啟動文件。

光告訴你啟動服務器是誰還不行，還必須告訴你啟動文件是啥，啟動文件根據機型不同它是有區別的，比如你是啟動Power PC，還要啟動mips，還要啟動SUN的SPARC。

02 啟動Linux需要什麼

光是X86就有三種架構

，一種是64位的UEFI，一種是32位的UEFI，另外一種就是老的i386的PC模式，叫做Legacy BIOS模式。

所以根據包裡面告訴我的架構不同，就反饋你文件名，不同的文件名給你，等於交互完之後就得到兩個：一個是不同IP地址，一個是文件名。通過TFTP給它下載下來開始執行就好了。後面的就跟從硬盤上是一樣的了。

如果是啟動Linux呢？Linux現在需要什麼東西？

Linux 只需要兩個東西（當然了其實它是需要三個東西），但文件只需要兩個：一個是內核文件，一個叫做INITRAMFS文件。

我們都知道內核文件肯定需要，任何一個操作系統起來都必須先把內核設置好，啟動好。

INITRAMFS是一個給Linux用作根的一個文件，大家知道Unix啟動一定需要有一個根文件系統，這個Unix才能夠運行。如果在內核啟動的時候，到最後找不到這個根文件系統就會啟動失敗。

有了INITRAMFS文件之後，Linux內核的啟動過程中會展開INITRAMFS文件。這個文件其實就是一個CPIO包，它把這個包展開到它的內存裡，在展開的內存裡會看到目錄架構，會有文件，它就到這一塊區域當作它的根。

也就是說無論如何，內核文件+INITRAMFS文件一定能夠啟動一個小Linux。

什麼叫小Linux，因為INITRAMFS不可能很大，一般幾十兆，所以它啟動起來之後，它就是一個完完全全放在內存裡的Linux，它小是因為這個文件大小受到了限制，那麼內核文件加上INITRAMFS展開後，把它作為一個根文件系統，這就是一個小的全部在內存裡的Linux。

麻雀雖小，五臟俱全，有內存和輸入輸出，就可以做任何事情，所以它適合做一些工具類的東西，安裝肯定是也通過它就可以繼續安裝，比如往硬盤上裝東西或者做外設的配置更改、FW升級等，它非常適合做一次性的工作。

我們通常用一個Live Image來啟動這樣一個Linux，當然它稍微比這個還複雜一點，但是基本上還是一個完完全全在內存裡的小Linux，啟動完後把U盤拿走也沒有任何問題。

當然我們大部分的情況下啟動可能不僅僅是想啟動一個內核裡的小Linux。

比如當前我有一個硬盤，硬盤上放了一個很大的Linux，幾十個G，想啟動這個系統就根據啟動Grub的參數，叫root=什麼什麼，這時候這個小Linux就會找這個root，root找到了之後（通常它是一個硬盤上的一個分區的一個文件系統），我們給mount到一個目錄下面，因為當前已有根，只不過這個根完完全全是個內存文件系統，我們可能會創建一個目錄叫newroot，然後把你制定的這個根mount到這個newroot下面。

mount好後把其它的進程都終止掉，然後把當前這個根裡面的基本上所有其它文件都刪掉釋放內存。但newroot必須保留，因為Newroot掛載的新的根文件系統，到最後就執行一個操作叫switch_root，把這個newroot變為根再執行根裡面的INIT，就完成拉起來了一個新的Linux，即硬盤上的Linux。

在這裡內核啟動的時候已經固定了，也就是說我們拉起來的這個硬盤上的Linux，一定要跟我當前的內核是兼容的，那麼安裝完系統以後，剛開始啟動的內核到最後切換到根上，拉起來的這個大的Linux一定是相同內核的，否則就會有兼容性的問題。

這就是如何啟動一個硬盤上的大Linux或在網絡上的一個大Linux，或者是任何其它的比如U盤上的Linux環境你也可以給它拉起來。

當然如果在U盤上的Linux我建議你直接用全部在內存裡的Linux，沒必要再拉一次在網絡上的或者是在硬盤上的。INITRAMFS不可能放得下所有東西。

一般還有一個二次的，就是拉起來Linux在中間的過程，可以說基本上除了內核沒變，其它的環境都變掉了，這就是啟動一個完整的Linux。

03 另類的啟動：KEXEC

下面我們介紹一下另類的啟動。

Linux還有一種啟動方式叫做KEXEC，KEXEC本來是一個Linux的內核的這個開發者，因為他們經常修改內核，修改完了之後要重啟看看，每一次重啟都要經過一個CPU的Reset的冷啟動也好，熱啟動也好，那是很痛苦的事情。

因為Reset這個CPU之後一定先走BIOS，BIOS走完了最後走Grub，最後有個Boot Load，Grub走完了才啟動Linux，因為嫌這個很煩，他們就開發了一個東西，就是在當前的Linux下，我突發奇想，想換一個新內核，他就用這個KEXEC先把一個內核加進來然後跳轉到新內核裡，相當於執行了一次Linux重啟，但是注意跳過了前面的POST和Grub。

這就是那位開發人員懶就開發了一個這個功能，這個功能確實能省很多時間。

如果你要想讓內核能夠這麼加載的話就有一個要求，要求Position Independent Code這段代碼可以再任意加載到任意地址，如果不能加載到任意地址的話，就要求固定地址。

那在當前內核如何加載另外一個內核？跟冷啟動一樣其實有三樣東西，一個是內核文件，先把它加進來，然後INITRAMFS文件也加進來，然後啟動參數主要是指根，總的來說這個KEXEC是一個非常奇妙的啟動Linux方式。大家可以試一下在自己Linux上用它來試一下。

04 Linux kdump模式

最後我們要講一下Linux kdump模式，緊密依賴KEXEC的模式的dump非常重要。

dump是什麼？

就是應用CRASH掉的時候，應用當時佔的內存的所有的內容，然後分析應用在哪裡CRASH掉了。系統也一樣，當Linux系統出了某種錯誤，哪怕是硬件出了某種錯誤進行不下去的時候怎麼診斷它，我們需要把它當前的內存的內容全拷貝下來。

如何拷貝呢？

在CRASH的時候，如果沒有kdump來支持，CRASH就hung在那了，如果啟動了kdump，在啟動內核，生產系統內核的時候，有一個參數叫 Crashkernel，Crashkernel等於多少多少，就是預留一塊內存給這個kdump的kernel dump內核轉儲用。預留完後，當生產系統起來，它的一個服務就是把kdump所用的內核加載到這塊預留的區域裡。

為什麼要這樣做呢？

因為系統CRASH的時候再加載內核好像有問題，其實CRASH這些問題啥都做不了，內核已經沒法加載了，動都動不了了，就一定要在生產系統剛起的時候預留一塊區域，這塊區域誰都不能使用，然後把一個內核加在裡面，INITRAMFS加在裡面，那些參數也加在裡面，這樣當這個生產內核跑著跑著要CRASH了，如果這個區域都設置好了它就會直接跳轉到這個區域裡新的內核裡，開始新的內核新的一個Linux環境的啟動。

這個Linux環境會限制在預留的區域裡，在預留的區域裡啟動完之後，它要做的事情就是第一，把前一個環境的比如說100個G也好200個G也好的內容拷貝出來，拷貝到指定的某一個磁盤的目錄下，這就是kdump。

Kdump確實是非常好的想法，它依賴於KEXEC，KEXEC是一個快速的Linux啟動，很多程序員不耐煩那個POST的過程太長，Kdump很好的解決了這個問題。