終端機(jī)無盤啟動過程基本分析

1、Network Optimization Expert Team終端機(jī)無盤啟動過程基本分析Network Optimization Expert Team培訓(xùn)主題培訓(xùn)主題1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)及硬件啟動過程2. BIOS的介紹及BIOS啟動過程3. PXE介紹及PXE啟動過程4. Linux內(nèi)核啟動過程5. 終端機(jī)軟件啟動過程N(yùn)etwork Optimization Expert Team1. 1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)及硬件啟動過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)及硬件啟動過程N(yùn)etwork Optimization Expert TeamPCPC系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)介紹介紹(Intel (Intel CPU)CPU)N

2、etwork Optimization Expert Team硬件啟動過程流程圖硬件啟動過程流程圖 硬件啟動過程。我們可以將一塊主板硬件啟動電路的關(guān)鍵啟動部件用下圖表示出來GMCHICHPOWERVRMCPUVID RegulatorButtonPOWERPCI_RSTCPU_RSTPOWER_OKPWR_GDVCCPPS_ON4289657110VIDVID Voltage3Network Optimization Expert Team硬件啟動過程硬件啟動過程( (一一) ) 當(dāng)我們按下電腦的開機(jī)按鈕時，電腦能檢測到有開機(jī)動作，則會開始下面一系列動作。1、首先，需要220V/110V供給系

3、統(tǒng)電源（Power Supply)，則會產(chǎn)生出一組5VSB電壓并加載到主板上(電源插頭的Pin9)，如圖五所示。2、按下PWR Button，主板產(chǎn)生PS-ON(POWER Supply-ON)信號，輸?shù)诫娫床孱^的Pin16。3、系統(tǒng)電源完全工作后，將輸出所有電壓，如12V -12V 5V 3.3V。4、電源穩(wěn)定后，還會發(fā)出PWR_OK信號給主板。5、主板上的部分電源電路開始工作后，其中的CPU VID(Voltage Identify)電源電路產(chǎn)生電壓并輸出給CPU，使CPU VID電路工作。同時，時鐘合成器電路通電開始工作，產(chǎn)生出各種頻率不同的時鐘信號。Network Optimizati

4、on Expert Team硬件啟動過程（二）硬件啟動過程（二）6、CPU輸出與Vcore對應(yīng)的VID信息給VRM(Voltage Regulator Module)穩(wěn)壓電路。7、VRM電路開始工作，輸出與VID信息相對應(yīng)的VCCP電壓(電源正電壓)并提供給CPU作為它的Vcore工作電壓。8、當(dāng)CPU的VCCP電壓穩(wěn)定后，它會告知VRM電路，VRM電路再產(chǎn)生出PWR_SB信號并送給ICH，告知ICH現(xiàn)在CPU可以正常工作了。9、ICH接收到PWR_GD信號和時鐘信號后，發(fā)出PCIRST和PLTRST，使GMCH和其它各種跨接于PCI總線上的設(shè)備復(fù)位。10、GMCH接收到PCIRST 后，發(fā)出

5、CPURST給CPU，最終完成各種設(shè)備的復(fù)位過程。Network Optimization Expert Team2. BIOS2. BIOS的介紹及的介紹及BIOSBIOS的啟動過程的啟動過程N(yùn)etwork Optimization Expert Team什么是什么是BIOSBIOS BIOS是英文Basic Input Output System的縮略語，全稱是ROMBIOS，意思是只讀存儲器基本輸入輸出系統(tǒng)。它是一組固化到計(jì)算機(jī)內(nèi)主板上一個ROM芯片上的程序，它保存著計(jì)算機(jī)最重要的基本輸入輸出的程序、系統(tǒng)設(shè)置信息、開機(jī)上電自檢程序和系統(tǒng)啟動自舉程序。BIOS包括有系統(tǒng)BIOS（即常說的主

6、板BIOS）、顯卡BIOS和其它設(shè)備（例如IDE控制器、SCSI卡或網(wǎng)卡等）的BIOS，其中系統(tǒng)BIOS是本PPT要討論的主角，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的啟動過程正是在它的控制下進(jìn)行的。形象地說，BIOS應(yīng)該是連接軟件程序與硬件設(shè)備的一座橋梁，負(fù)責(zé)解決硬件的即時要求。Network Optimization Expert Team什么是內(nèi)存地址什么是內(nèi)存地址所以我們來了解一下內(nèi)存的地址。我們的機(jī)器中一般安裝有1G(1024M)或2G(2048M)內(nèi)存，這些內(nèi)存的每一個字節(jié)都被賦予了一個地址，以便CPU訪問內(nèi)存。比如說32MB的地址范圍用十六進(jìn)制數(shù)表示就是01FFFFFFH，其中0FFFFFH的低端1MB內(nèi)存

7、非常特殊，因?yàn)樽畛醯?086處理器能夠訪問的內(nèi)存最大只有1MB，這1MB的低端640KB被稱為基本內(nèi)存，而A0000HBFFFFH要保留給顯示卡的顯存使用，C0000HFFFFFH則被保留給BIOS使用，其中系統(tǒng)BIOS一般占用了最后的64KB或更多一點(diǎn)的空間，顯卡BIOS一般在C0000HC7FFFH處，IDE控制器的BIOS在C8000HCBFFFH處。 Network Optimization Expert TeamX86低端內(nèi)存分配圖Network Optimization Expert TeamBIOSBIOS啟動過程圖啟動過程圖Network Optimization Expert

8、 TeamBIOSBIOS啟動過程啟動過程( (一一) ) 第一步： 當(dāng)我們按下電源開關(guān)時，電源就開始向主板和其它設(shè)備供電，此時電壓還不太穩(wěn)定，主板上的控制芯片組會向CPU發(fā)出并保持一個RESET（重置）信號，讓 CPU內(nèi)部自動恢復(fù)到初始狀態(tài)，但CPU在此刻不會馬上執(zhí)行指令。當(dāng)芯片組檢測到電源已經(jīng)開始穩(wěn)定供電了（當(dāng)然從不穩(wěn)定到穩(wěn)定的過程只是一瞬間的事情）， 它便撤去RESET信號（如果是手工按下計(jì)算機(jī)面板上的Reset按鈕來重啟機(jī)器，那么松開該按鈕時芯片組就會撤去RESET信號），CPU馬上就從地址 FFFF0H處開始執(zhí)行指令，從前面的介紹可知，這個地址實(shí)際上在系統(tǒng)BIOS的地址范圍內(nèi)，無論是

9、Award BIOS還是AMI BIOS，放在這里的只是一條跳轉(zhuǎn)指令，跳到系統(tǒng)BIOS中真正的啟動代碼處，這個地方就是.硬件ROM。Network Optimization Expert TeamBIOSBIOS啟動過程啟動過程( (二二) ) 第二步： 系統(tǒng)BIOS的啟動代碼首先要做的事情就是進(jìn)行POST（PowerOn Self Test，加電后自檢），POST的主要任務(wù)是檢測系統(tǒng)中一些關(guān)鍵設(shè)備是否存在和能否正常工作，例如內(nèi)存和顯卡等設(shè)備。由于POST是最早進(jìn)行的檢測過 程，此時顯卡還沒有初始化，如果系統(tǒng)BIOS在進(jìn)行POST的過程中發(fā)現(xiàn)了一些致命錯誤，例如沒有找到內(nèi)存或者內(nèi)存有問題（此時

10、只會檢查640K常規(guī)內(nèi) 存），那么系統(tǒng)BIOS就會直接控制喇叭發(fā)聲來報(bào)告錯誤，聲音的長短和次數(shù)代表了錯誤的類型。在正常情況下，POST過程進(jìn)行得非常快，我們幾乎無法感覺 到它的存在，POST結(jié)束之后就會調(diào)用其它代碼來進(jìn)行更完整的硬件檢測。 Network Optimization Expert TeamBIOSBIOS啟動過程啟動過程( (三三) ) 第三步： 接下來系統(tǒng)BIOS將查找顯卡的BIOS，前面說過，存放顯卡BIOS的ROM芯片的起始地址通常設(shè)在C0000H處，系統(tǒng)BIOS在這個地方找到顯卡 BIOS之后就調(diào)用它的初始化代碼，由顯卡BIOS來初始化顯卡，此時多數(shù)顯卡都會在屏幕上顯示出

11、一些初始化信息，介紹生產(chǎn)廠商、圖形芯片類型等內(nèi)容，不過這個畫面幾乎是一閃而過。系統(tǒng)BIOS接著會查找其它設(shè)備的BIOS程序，找到之后同樣要調(diào)用這些BIOS內(nèi)部的初始化代碼來初始化相關(guān)的設(shè)備。 Network Optimization Expert TeamNetwork Optimization Expert TeamBIOSBIOS啟動過程啟動過程( (四四/ /五五) ) 第四步： 查找完所有其它設(shè)備的BIOS之后，系統(tǒng)BIOS將顯示出它自己的啟動畫面，其中包括有系統(tǒng)BIOS的類型、序列號和版本號等內(nèi)容。 第五步： 接著系統(tǒng)BIOS將檢測和顯示CPU的類型和工作頻率，然后開始測試所有的RA

12、M，并同時在屏幕上顯示內(nèi)存測試的進(jìn)度，我們可以在CMOS設(shè)置中自行決定使用簡單耗時少或者詳細(xì)耗時多的測試方式。 Network Optimization Expert TeamNetwork Optimization Expert TeamBIOSBIOS啟動過程啟動過程( (六六/ /七七) ) 第六步： 內(nèi)存測試通過之后，系統(tǒng)BIOS將開始檢測系統(tǒng)中安裝的一些標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備，包括硬盤、CDROM、串口、并口、軟驅(qū)等設(shè)備，另外絕大多數(shù)較新版本的系統(tǒng)BIOS在這一過程中還要自動檢測和設(shè)置內(nèi)存的定時參數(shù)、硬盤參數(shù)和訪問模式等。 第七步： 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備檢測完畢后，系統(tǒng)BIOS內(nèi)部的支持即插即用的代碼將開

13、始檢測和配置系統(tǒng)中安裝的即插即用設(shè)備，每找到一個設(shè)備之后，系統(tǒng)BIOS都會在屏幕上顯示出設(shè)備的名稱和型號等信息，同時為該設(shè)備分配中斷、DMA通道和I/O端口等資源。 Network Optimization Expert TeamBIOSBIOS啟動過程啟動過程( (八九八九) ) 第八步： 到這一步為止，所有硬件都已經(jīng)檢測配置完畢了，多數(shù)系統(tǒng)BIOS會重新清屏并在屏幕上方顯示出一個表格，其中概略地列出了系統(tǒng)中安裝的各種標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備，以及它們使用的資源和一些相關(guān)工作參數(shù)。 第九步： 接下來系統(tǒng)BIOS將更新ESCD（Extended System Configuration Data，擴(kuò)展系統(tǒng)

14、配置數(shù)據(jù)）。ESCD是系統(tǒng)BIOS用來與操作系統(tǒng)交換硬件配置信息的一種手段，這些數(shù)據(jù)被存放在CMOS（一小塊特殊的RAM，由主 板上的電池來供電）之中。通常ESCD數(shù)據(jù)只在系統(tǒng)硬件配置發(fā)生改變后才會更新，所以不是每次啟動機(jī)器時我們都能夠看到“Update ESCD Success”這樣的信息.Network Optimization Expert TeamNetwork Optimization Expert TeamBIOSBIOS啟動過程啟動過程( (十十) ) 第十步： ESCD更新完畢后，系統(tǒng)BIOS的啟動代碼將進(jìn)行它的最后一項(xiàng)工作，即根據(jù)用戶指定的啟動順序從軟盤、硬盤、網(wǎng)卡或光驅(qū)啟動

15、。以從C盤啟動為例，系統(tǒng)BIOS 將讀取并執(zhí)行硬盤上的主引導(dǎo)記錄，主引導(dǎo)記錄接著從分區(qū)表中找到第一個活動分區(qū)，然后讀取并執(zhí)行這個活動分區(qū)的分區(qū)引導(dǎo)記錄，而分區(qū)引導(dǎo)記錄將負(fù)責(zé)讀取并 執(zhí)行引導(dǎo)程序。我們的終端機(jī)將從網(wǎng)卡進(jìn)行PXE啟動。Network Optimization Expert Team3. PXE3. PXE介紹及介紹及PXEPXE啟動過程啟動過程N(yùn)etwork Optimization Expert TeamPXEPXE的介紹的介紹 PXE(preboot execute environment預(yù)啟動執(zhí)行環(huán)境)是由Intel公司開發(fā)的最新技術(shù)，工作于Client/Server的網(wǎng)絡(luò)模

16、式，支持工作站通過網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)端服務(wù)器下載映像，并由此支持通過網(wǎng)絡(luò)啟動操作系統(tǒng)，在啟動過程中，終端要求服務(wù)器分配IP地址，再用TFTP（trivial file transfer protocol）協(xié)議下載一個啟動軟件包到本機(jī)內(nèi)存中執(zhí)行，由這個啟動軟件包完成終端機(jī)基本軟件設(shè)置，從而引導(dǎo)預(yù)先安裝在服務(wù)器中的終端操作系統(tǒng)。PXE可以引導(dǎo)多種操作系統(tǒng)，如windows,linux等。目前終端機(jī)用的是GPXE是一個開源的網(wǎng)絡(luò)啟動程序。Network Optimization Expert TeamPXE啟動Linux內(nèi)核流程圖引導(dǎo)程序Network Optimization Expert TeamPXEP

17、XE的啟動過程的啟動過程( (一一) )PXE協(xié)議分為client和server兩端，PXE client在網(wǎng)卡的ROM中，當(dāng)計(jì)算機(jī)引導(dǎo)時，BIOS把PXE client調(diào)入內(nèi)存執(zhí)行，并顯示出命令菜單，經(jīng)用戶選擇后，PXE client將放置在遠(yuǎn)端的操作系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)下載到本地運(yùn)行。1. 客戶端發(fā)送動態(tài)獲得IP地址的廣播包到網(wǎng)絡(luò)上。2.DHCP服務(wù)器在收到該廣播包后，發(fā)送給客戶端分配IP地址的回應(yīng)包。 Network Optimization Expert TeamPXEPXE的啟動過程的啟動過程( (二二) ) 3. 客戶端收到回應(yīng)包后設(shè)置自己的IP地址，然后從DHCP服務(wù)器獲得啟動服務(wù)器的I

18、P 地址（DHCP服務(wù)器066選項(xiàng)，這就是TFTP服務(wù)器的IP地址） 啟動文件名（DHCP服務(wù)器067選項(xiàng)，這里的啟動文件名就是pxelinux.0 或者支持pxe的grub4dos的grldr，當(dāng)然，也可以是startrom.n12或者使用3com Image Edit創(chuàng)建的pxe啟動菜單文件，總之，它應(yīng)該是一種由pxe啟動規(guī)范規(guī)定的固定格式的可執(zhí)行文件）4.然后客戶端到聯(lián)系啟動服務(wù)器(TFTP服務(wù)器）獲得Linux內(nèi)核映像文件vmlinux及內(nèi)核小系統(tǒng)initrd.gz并執(zhí)行，這樣基本上就完成了pxe啟動Linux內(nèi)核的過程。Network Optimization Expert Team

19、4. Linux4. Linux內(nèi)核啟動過程內(nèi)核啟動過程N(yùn)etwork Optimization Expert Team內(nèi)核啟動過程（一）內(nèi)核啟動過程（一）系統(tǒng)讀取內(nèi)核映像，并進(jìn)行解壓縮操作。此時，屏幕一般會輸出“Uncompressing Linux”的提示。當(dāng)解壓縮內(nèi)核完成后，屏幕輸出“OK, booting the kernel”。系統(tǒng)將解壓后的內(nèi)核放置在內(nèi)存之中，并調(diào)用start_kernel()函數(shù)來啟動一系列的初始化函數(shù)并初始化各種設(shè)備，完成Linux核心環(huán)境的建立。Network Optimization Expert Team內(nèi)核啟動過程（二）內(nèi)核啟動過程（二）start_ke

20、nrel()定義在init/main.c中，它就類似于一般可執(zhí)行程序中的main()函數(shù)，系統(tǒng)在此之前所做的僅僅是一些能讓內(nèi)核程序最低限度執(zhí)行的初始化操作，真正的內(nèi)核初始化過程是從這里才開始。函數(shù)start_kerenl()將會調(diào)用一系列的初始化函數(shù)，用來完成內(nèi)核本身的各方面設(shè)置，目的是最終建立起基本完整的Linux核心環(huán)境。Network Optimization Expert Team內(nèi)核啟動過程（三）內(nèi)核啟動過程（三）start_kernel()中主要執(zhí)行了以下操作：(1) 在屏幕上打印出當(dāng)前的內(nèi)核版本信息。(2) 執(zhí)行setup_arch()，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置。(3)執(zhí)行sched_

21、init()，對系統(tǒng)的調(diào)度機(jī)制進(jìn)行初始化。先是對每個可用CPU上的runqueque進(jìn)行初始化;然后初始化0號進(jìn)程(其task struct和系統(tǒng)空M堆棧在startup_32()中己經(jīng)被分配)為系統(tǒng)idle進(jìn)程，即系統(tǒng)空閑時占據(jù)CPU的進(jìn)程。Network Optimization Expert Team內(nèi)核啟動過程（四）內(nèi)核啟動過程（四） (4)執(zhí)行parse_early_param()和parsees_args()解析系統(tǒng)啟動參數(shù)。(5)執(zhí)行trap_in itQ，先設(shè)置了系統(tǒng)中斷向量表。0-19號的陷阱門用于CPU異常處理;然后初始化系統(tǒng)調(diào)用向量;最后調(diào)用cpu_init()完善對CP

22、U的初始化，用于支持進(jìn)程調(diào)度機(jī)制，包括設(shè)定標(biāo)志位寄存器、任務(wù)寄存器、初始化程序調(diào)試相關(guān)寄存器等等。(6)執(zhí)行rcu_init()，初始化系統(tǒng)中的Read-Copy Update互斥機(jī)制。Network Optimization Expert Team內(nèi)核啟動過程（五）內(nèi)核啟動過程（五） (7)執(zhí)行init_IRQ()函數(shù)，初始化用于外設(shè)的中斷，完成對IDT的最終初始化過程。(8)執(zhí)行init_timers()， softirq_init()和time_init()函數(shù)，分別初始系統(tǒng)的定時器機(jī)制，軟中斷機(jī)制以及系統(tǒng)日期和時間。(9)執(zhí)行mem_init()函數(shù)，初始化物理內(nèi)存頁面的page數(shù)據(jù)結(jié)

23、構(gòu)描述符，完成對物理內(nèi)存管理機(jī)制的創(chuàng)建。Network Optimization Expert Team內(nèi)核啟動過程（六）內(nèi)核啟動過程（六）(10)執(zhí)行kmem_cache_init()，完成對通用slab緩沖區(qū)管理機(jī)制的初始化工作。(11)執(zhí)行fork_init()，計(jì)算出當(dāng)前系統(tǒng)的物理內(nèi)存容量能夠允許創(chuàng)建的進(jìn)程(線程)數(shù)量。(12)執(zhí)行proc_caches_init() , bufer_init()， unnamed_dev_init() ,vfs_caches_init()， signals_init()等函數(shù)對各種管理機(jī)制建立起專用的slab緩沖區(qū)隊(duì)列。(13 )執(zhí)行proc_roo

24、t_init()Wl數(shù)，對虛擬文件系統(tǒng)/proc進(jìn)行初始化。Network Optimization Expert Team內(nèi)核啟動過程（七）內(nèi)核啟動過程（七）在 start_kenrel()的結(jié)尾，內(nèi)核通過kenrel_thread()創(chuàng)建出第一個系統(tǒng)內(nèi)核線程(即1號進(jìn)程)，該線程執(zhí)行的是內(nèi)核中的init()函數(shù)，負(fù)責(zé)的是下一階段的啟動任務(wù)。最后調(diào)用cpues_idle()函數(shù)：進(jìn)入了系統(tǒng)主循環(huán)體口默認(rèn)將一直執(zhí)行default_idle()函數(shù)中的指令，即CPU的halt指令，直到就緒隊(duì)列中存在其他進(jìn)程需要被調(diào)度時才會轉(zhuǎn)向執(zhí)行其他函數(shù)。此時，系統(tǒng)中唯一存在就緒狀態(tài)的進(jìn)程就是由kerne_hr

25、ead()創(chuàng)建的init進(jìn)程(內(nèi)核線程)，所以內(nèi)核并不進(jìn)入default_idle()函數(shù)，而是轉(zhuǎn)向init()函數(shù)繼續(xù)啟動過程。Network Optimization Expert Team內(nèi)核啟動過程（八）內(nèi)核啟動過程（八）用戶層init依據(jù)inittab文件來設(shè)定運(yùn)行等級內(nèi)核被加載后，第一個運(yùn)行的程序便是/sbin/init，該文件會讀取/etc/inittab文件，并依據(jù)此文件來進(jìn)行初始化工作。其實(shí)/etc/inittab文件最主要的作用就是設(shè)定Linux的運(yùn)行等級，其設(shè)定形式是“：id:5:init default:”，這就表明Linux需要運(yùn)行在等級5上。Network Optimization Expert Team內(nèi)核啟動過程（九）內(nèi)核啟動過程（九）init進(jìn)程執(zhí)行rc.sysinit在設(shè)定了運(yùn)行等級后，Linux系統(tǒng)執(zhí)行的第一個用戶層文件就是/etc/rc.d/rc.sysinit腳本程序，它做的工作非常