Linux 硬件启动

2014-02-25 Tuesday     linux

从内核加电之后,简单介绍如何从硬件加载启动。

Bootstrap

这里的 Bootstrap 通常是指 “鞋子后边的背带”,通常也表示不需要别人的 帮助就能够自己处理事情的情形。这来自于一句常用的谚语 "pull oneself up by one's bootstraps"

这句话最早出现于 《The Surprising Adventures of Baron Munchausen》,这本书里的一个故事:主人公 Baron Munchausen 不小心掉进了一片沼泽,他通过自己的 bootstraps 将自己拉了出来,Magic :-)

其实在 19 世纪初美国也有 "pull oneself over a fence by one's bootstraps" 的说法,意思是 “做荒谬不可能完成的事情” 。可参考 Bootstrapping

最早的时候,工程师们用它来比喻计算机启动是一个很矛盾的过程:必须先运行程序,然后计算机才能启动,但是计算机不启动就无法运行程序!

早期真的是这样,必须想尽各种办法,把一小段程序装进内存,然后计算机才能正常运行。所以,工程师们把这个过程叫做”拉鞋带”,久而久之就简称为 boot 了。

接下来主要介绍的是现在最常用的 PC 启动方法,也即采用 BIOS 启动,通常还有其它的启动方式,如 EFI、UEFI 等。

可扩展固件接口 (Extensible Firmware Interface,EFI) 是 Intel 为全新类型的 PC 固件的体系结构、接口和服务提出的建议标准。主要目的是为了提供一组在 OS 加载之前(启动前)在所有平台上一致的、正确指定的启动服务,被看做是有近 20 多年历史的 PC BIOS 的继任者。

统一的可扩展固件接口 (Unified Extensible Firmware Interface,UEFI),是一种详细描述全新类型接口的标准,由 EFI 1.10 为基础发展起来的,它的所有者已不再是 Intel,而是一个称作 Unified EFI Form 的国际组织,是 open source 的。这种接口用于操作系统自动从预启动的操作环境,加载到一种操作系统上,从而使开机程序化繁为简,节省时间。

主板介绍

在介绍之前首先了解一下主板的情况。现在主板大致如下所示,在主板上主要有两大主要部分:北桥 (North Bridge 或 Host Bridge) 和南桥 (South Bridge) 。

北桥主要负责 CPU 和内存、显卡这些部件的数据传送,而南桥主要负责 I/O 设备、外部存储设备以及 BIOS 之间的通信。现在有些芯片厂商为了加快数据的传输速度,已经把北桥所负责的功能直接集成到 CPU 中了,因此有些主板已经没有北桥了。

hardware materboard diagram

CPU 通过管脚与外界相连,但是它不知道与之相连的是什么,可能是主板、路由、测试工具等。 CPU 主要通过三种方式与外界通讯:内存地址空间、I/O地址空间和中断。在主板中, CPU 通过前端总线 (Front Side Bus) 与北桥相连,其中包括了地址总线和数据总线。对于 Intel Core 2 QX6600 而言,有 33 针地址总线,64 针数据总线,因此 CPU 可访问的地址空间有 64GB = 2^33 * 8B ,实际使用只是其中一部分。

在访问上述的地址空间时,需要通过北桥与其他设备进行通讯,这种通讯方式称为内存映射 ( Memory Mapped I/O, MMIO ) 。若要使 MMIO 空间可用于 32 位操作系统,MMIO 空间必须驻留在前 4GB 地址空间内。这些地址空间一部分会映射到 RAM ,还有其他的设备,如显卡、PCI 设备、BIOS 等。在 Linux 中,可以通过 /proc/iomem 查看,其分布大致如下。

hardware materboard diagram

启动流程

操作系统启动大致过程如下图所示,总共经过了四步:BIOS、MBR、Bootloader 和 操作系统初始化。

hardware boot step

第一阶段:BIOS

当按下开关时主板会按照一定的顺序启动各个芯片,当然不同的主板启动的顺序会不一样。刚开始时电压还不太稳定,主板上的控制芯片组会向 CPU 发出并保持一个 RESET 信号,让 CPU 内部自动恢复到初始状态,此时 CPU 在此刻不会马上执行指令。当芯片组检测到电源已经开始稳定供电了,它便撤去 RESET 信号(如果是手工按下计算机面板上的 Reset 按钮来重启机器,那么松开该按钮时芯片组就会撤去 RESET 信号),然后 CPU 开始运行。

hardware bios hardware

上个世纪70年代初,”只读内存” (read-only memory,ROM) 发明,开机程序被刷入 ROM 芯片,计算机通电后,第一件事就是读取它。这块芯片里的程序叫做 “基本输入输出系統” (Basic Input/Output System) ,简称为 BIOS

如果是多处理器,通常会动态选择一个 Bootstrap Processors(BSP) ,该 CPU 会执行所有的 BIOS 和内核初始化函数。其他的处理器 Application Processors (AP) 会一直等到内核明确激活之后才会运行。

在 8086 的那个时代,采用的是实模式(Real Mode), CPU 寻址时采用 Segment:Offset 模式,物理地址为 Address = Segment * 16 + Offset ,此时段的大小固定为 2^16=64K ,最大的寻址为 0x00000 ~ 0xFFFFF ,即 1MBytes 。

80386 之后产生了保护模式 (Protect Mode) ,虚拟地址到物理地址转换时需要通过两步进行,即段机制 + 页机制,其中段转换机制是必须的。段机制在转换时采用段描述符,使用 64bits 而不是 16bits 来描述一个段,包括了段基址、段长、属性等,此时段的大小是可变的。

在保护模式中,可以单独使用段机制;也可以使用页机制,此是会分为两步,首先经过段机制然后是分页机制。

DMI/QPI (Quick Path Interconnect,快速通道互联),是 Intel 用来取代 FSB 的新一代高速总线,对于 CPU 与 CPU 之间或者 CPU 与北桥芯片之间的通讯都可以使用 QPI 相连。

在 8086 初始化时 CS:IP=F000h:FFF0h , 因此将会从 FFFF0h 开始执行。 80386 之后采用了一种 hack 的方式 (与实模式和保护模式都不太一样) ,此时 CR0:PE 没有置 1 ,因此不是保护模式,该模式被称为 Big Real Mode。

在初始化时 EIP 仍然为 0000FFF0h, CS 的 Selector=F000hBase=FFFF0000hLimit=FFFFhAR=Present, R/W, Accessed ,此时 GTD 还没有建立,Selector 没有使用,相应的读取地址为 CS:Base+EIP=FFFFFFF0h

接下来不同的厂商做法就不太一样了,主要是 Intel 设计的 EFI(Extensible Firmware Interface) 的做法和传统的 Legacy BIOS 。

  • Legacy BIOS
    放在 0xFFFFFFF0 的第一条指令一般是一个远跳转指令 (Far Jump) ,也就是说 CPU 在执行 Legacy BIOS 时,会直接从 0xFFFFFFF0 跳回 F Segment ,回到 1MB 以下这个 Legacy BIOS 的老巢里去。此时重装 CS 后,上述的 hack 将无效,也就是到了 8086 时的实模式。此时可以访问的地址范围还和 A0 有关,没有详细了解 :(

  • EFI BIOS
    第一条指令是 wbinvd(清除 CPU 高速缓存),之后做一些设定之后,会直接进入保护模式。所以 EFI BIOS 是从南桥 Region 4G 通过,并不需要 Legacy Region 。

下面仅对 Legacy BIOS 进行介绍。

对于传统的 “CPU + 北桥 + 南桥” 类型的主板来说,CPU 的地址请求通过 FSB (Front Side BUS, 前端总线) 到达北桥,北桥通过判断这个地址范围在南桥,因此将这个请求送到南桥。

对于最新的主板芯片组来说,北桥和 CPU 封装在一颗芯片里面,所以会看到这个请求通过 DMI/QPI 被送到南桥。请求到达南桥后,南桥根据目前的地址映射表的设置决定是否将请求转发到 SPI(Serial Peripheral Interface) 或者 LPC(Low Pin Count)。

简单说就是南桥芯片拥有一张地址映射表,当有地址解析的请求到来时,南桥查看这张表决定将地址解析到何处去。这张表里有两个特殊区域,一个是从地址空间 4G 向下,大小从 4MB 到 16MB 不等的一个区域,我们以 4MB 为例,地址空间从 FFFC00000h~FFFFFFFFh 。称之为 Range 4G 。第二个区域一般是是从 1MB 向下 128KB 的范围,即 E Segment 和 F Segment ,从 E0000~FFFFF ,称之为 Legacy Range ,也就是说, FFFC00000h~FFFFFFFFh 之间和 E0000~FFFFF 之间的寻址请求都会被导向到 SPI/LPC ,最终指向了 BIOS 。

硬件自检 POST (Power On Self Test)

BIOS 程序首先检查,计算机硬件能否满足运行的基本条件,这叫做”硬件自检”(Power On Self Test),缩写为 POST

POST 的主要任务是检测系统中的一些关键设备 (电源、CPU 芯片、BIOS 芯片、定时器芯片、数据收发逻辑电路、DMA 控制 器、中断控制器以及基本的 640K 内存和内存刷新电路等) 是否存在和能否正常工作。

由于 POST 是最早进行的检测过程,此时显卡还没有初始化,如果系统 BIOS 在进行 POST 的过程中发现了一些致命错误,例如没有找到内存或者内存有问题 (此时只会检查640K常规内存),那么系统 BIOS 就会直接控制喇叭发声来报告错误,声音的长短和次数代表了错误的类型。

接下来系统 BIOS 将更新 ESCD(Extended System Configuration Data,扩展系统配置数据)。ESCD 是系统 BIOS 用来与操作系统交换硬件配置信息的一种手段,这些数据被存放在 CMOS (一小块特殊的RAM,由主板上的电池来供电) 之中。

ESCD 数据更新完毕后,系统 BIOS 的启动代码将进行它的最后一项工作,即根据用户指定的启动顺序从软盘、硬盘或光驱启动。

hardware bios post

启动设备顺序

硬件自检完成后,BIOS 把控制权转交给下一阶段的启动程序。

这时,BIOS 需要知道,”下一阶段的启动程序” 具体存放在哪一个设备。也就是说,BIOS需要有一个外部储存设备的排序,排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。这种排序叫做”启动顺序” (Boot Sequence)。

打开 BIOS 的操作界面,里面有一项就是”设定启动顺序”。

hardware bios bootseq

此时, POST 完成了一系列测试和初始化,并将所有的资源整理,包括了中断、RAM 范围、I/O 端口等。现在的很多 BIOS 会根据 Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) 保存一系列设备列表,这些列表会被 Kernel 使用。

第二阶段:主引导记录

BIOS 按照”启动顺序”,把控制权转交给排在第一位的储存设备。这时,计算机读取该设备的 “主引导记录” (Master boot record,缩写为 MBR) ,对于硬盘是第一个扇区 (0头0道1扇区,也就是 Boot Sector),也即读取存储设备最前面的 512 个字节,读入内存地址 0000:7c00~0000:7e00(+200) 处。

如果这 512 个字节的最后两个字节是否为 0x55 和 0xAA (即检查 (WORD)0000:7dfe 是否等于 0xaa55) ,表明这个设备可以用于启动,于是跳转到 0x7C00 并执行;如果不是,表明设备不能用于启动,控制权于是被转交给”启动顺序”中的下一个设备。

硬盘有很多盘片组成,每个盘片的每个面都有一个读写磁头,如果有 N 个盘片,则有 2N 个面,对应 2N 个磁头 (Heads) 。每个盘片以电机为圆心,半径为固定值 R 的同心圆,在逻辑上形成了一个柱面 (Cylinders) 。每个盘片上的每个磁道又分为几个扇区 (Sector) ,通常每个扇区的容量为 512Bytes 。因此总共 Heads×Cylinders×Sector 个扇区,其编号均从 0 开始。

在读取第一个扇区的时候, BIOS 是通过 INT 13 读取。

hardware bios bootseq

最终的结果是, POST 之后会跳转到 0000:7c00 处执行 MBR 中的程序,将控制权交给 MBR 中的 Bootloader 程序(通常为grub);以上是由 BIOS 的引导程序完成;下面是由 MBR 中的引导程序完成。

主引导记录

每个操作系统的 Bootloader 通常不一样,因此,在硬盘中,每个文件系统或者分区都会保留一个引导扇区 (Boot Sector) 来为操作系统安装 Bootloader 。其格式大致如下。

hardware bios bootseq

每个操作系统在安装时会将 Bootloader 安装到该分区的 Boot Sector 中去。在 Linux 中可以选择是否安装到 MBR 中,如果是,会在 MBR 和分区的 Boot Sector 中都保留一份 Bootloader 。而 Windows 则会主动将 MBR 和 Boot Sector 安装上 Bootloader 。

Linux 的 Bootloader 在安装时可以自动搜索其它的 Bootloader ,而 Windows 的却不可以,因此在安装双系统时,最好先安装 Windows 然后安 Linux 。

主引导扇区 MBR 和操作系统无关,单就功能来说可以将其设置为一个通用的模块。其主要功能是用来查找活动分区,并将控制权交给相应分区的引导扇区 (第一个扇区) ,也即告诉计算机到硬盘的哪一个位置去找操作系统。

该扇区的是和操作系统有关的,操作系统的引导是由它来完成的,而 MBR 并不负责,MBR 和操作系统无关。引导扇区的任务是把控制权转交给操作系统的引导程序。

如果使用多系统那么 MBR 通常也就是 Grub 或这 Lilo 的一部分程序,在安装时存放在 MBR。Bootloader 中的 MBR 主要操作步骤为:

  1. MBR 先将自己的程序代码由 0000:7C00h 移动到 0000:0600h ,然后继续执行。(注,BIOS 把 MBR 放在 0000:7C00h处)。

  2. 扫描分区表,找到一个激活(可引导)分区。在主分区表中搜索标志为活动的分区,即 80h 标志(详见分区表,通常为boot分区)。如果发现没有活动分区或者不止一个活动分区,则停止,通常为失败:跳入 ROM BASIC、无效分区表:goto 5 <1>

  3. 找到激活分区的起始扇区;读引导扇区(Boot Sector),将活动分区的第一个扇区读入内存地址 0000:7c00 处。失败:goto 5。注意: 此时读取的是此扇区的第一个 Sector ,而非 MBR 。

  4. 验证引导扇区最后是否为 55AAh,即检查(WORD)0000:7dfe 是否等于 0xaa55,若不等于则 goto 5 <2/4>

  5. 打印错误进入无穷循环,通常的错误有:
    1. No active partition.
    2. Invalid partition table.
    3. Error loading operating system.
    4. Missing operating system.
  6. 跳转到 0000:7c00 处继续执行特定系统的启动程序,将控制权交给引导扇区代码,启动系统。

hardware bios bootseq

另一种表示方法,

hardware bios bootseq

如上图所示主引导记录由三个部分组成。

hardware bios bootseq

其中,第二部分”分区表”的作用,是将硬盘分成若干个区。

分区表

硬盘分区有很多 分区 ,考虑到每个分区可以安装不同的操作系统,因此 “主引导记录MBR” 必须知道将控制权转交给哪个区。

分区表的长度只有64个字节,里面又分成四项,每项 16 个字节。所以,一个硬盘最多只能分四个一级分区,又叫做”主分区”。

每个主分区的 16 个字节,由 6 个部分组成:

hardware bios bootseq

最后的四个字节 (“主分区的扇区总数”),决定了这个主分区的长度。也就是说,一个主分区的扇区总数最多不超过 2 的 32 次方。

如果每个扇区为 512 个字节,就意味着单个分区最大不超过 2TB 。再考虑到扇区的逻辑地址也是 32 位,所以单个硬盘可利用的空间最大也不超过 2TB 。如果想使用更大的硬盘,只有 2 个方法:一是提高每个扇区的字节数,二是增加 扇区总数

硬盘的分区规则:一个分区的所有扇区必须连续,硬盘可以有最多 4 个物理上的分区,这 4 个物理分区可以时个主分区或者 3 个主分区加 1 个扩展分区,只能由一个扩展分区。在扩展分区里,可以而且必须再继续划分逻辑分区(逻辑盘),可以有任意多个。

扩展分区的信息位于硬盘分区表(DPT)中,而逻辑驱动器的信息则位于扩展分区的起始扇区,即该分区的起始地址(面/扇区/磁道)所对应的扇区,该扇区中的信息与硬盘主引导扇区的区别是不包含 MBR ,而 16 字节的分区信息则表示的是逻辑驱动器的起始和结束地址等。

对于主引导扇区最多可以识别 4 个主分区,为了可以使用更多的分区,引入了扩展分区。扩展分区中的逻辑驱动器引导记录采用链式结构。每一个逻辑分区都有一个和 MBR 分区表类似的扩展引导记录 EBR 。该分区表的第一项指向该逻辑分区本身的引导扇区,第二项指向下一个逻辑驱动器的 EBR ,其格式如下所示。

hardware bios bootseq hardware bios bootseq

hardware bios bootseq

MBR 操作

在 Linux 中可以通过如下的命令对 MBR 进行操作,包括备份、删除等。

# fdisk -l                                   // 查看硬盘,假设为 /dev/sda
# dd if=/dev/sda of=mbr.bak bs=512 count=1   // 备份 MBR
# dd if=mbr.bak of=/dev/sda bs=512 count=1   // 恢复 MBR
# dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=446 count=1 // 删除 MBR

# vim mbr.bak -b                             // 以二进制打开
:%!xxd                                       // 切换为十六进制显示

第三阶段:硬盘启动

这时,计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区了,这里又分成三种情况。

情况A:卷引导记录

上一节提到,四个主分区里面,只有一个是激活的。计算机会读取激活分区的第一个扇区,叫做 卷引导记录 (Volume boot record,缩写为VBR) 。

“卷引导记录”的主要作用是,告诉计算机,操作系统在这个分区里的位置。然后,计算机就会加载操作系统了。

情况B:扩展分区和逻辑分区

随着硬盘越来越大,四个主分区已经不够了,需要更多的分区。但是,分区表只有四项,因此规定有且仅有一个区可以被定义成”扩展分区” (Extended partition)。

所谓”扩展分区”,就是指这个区里面又分成多个区。这种分区里面的分区,就叫做”逻辑分区” (logical partition)。

计算机先读取扩展分区的第一个扇区,叫做 扩展引导记录 (Extended boot record,缩写为EBR)。它里面同样也包含一张 64 字节的分区表,但是只有前两项是有效的,分别指向当前分区的磁盘地址,以及下一个逻辑分区的磁盘地址,从而形成了一个有序的链表。直到某个逻辑分区的分区表只包含它自身为止 (即只有一个分区项)。因此,扩展分区可以包含无数个逻辑分区。

但是,似乎很少通过这种方式启动操作系统。如果操作系统确实安装在扩展分区,一般采用下一种方式启动。

情况C:启动管理器

在这种情况下,计算机读取”主引导记录”前面 446 字节的机器码之后,不再把控制权转交给某一个分区,而是运行事先安装的 启动管理器 (boot loader),由用户选择启动哪一个操作系统。

Linux环境中,目前最流行的启动管理器是 Grub

hardware bios bootseq

X86 Bootloader 设计

Linux 运行在保护模式下,但是当机器启动复位的时候却处于实模式下,所以 Bootloader 做的工作也是在实模式之下的,使用低端的 640k 内存。

早期的磁盘,每个磁道有 63 个扇区,硬盘在使用中,0 面的 0 磁道的所有扇区即前 63 个扇区做为特殊用途,BIOS 和操作系统不放置任何数据于此,一般做为 bootloader 使用,这也是为什么 GRUB 必须使用 stage1.5 的原因(因为其大小一般为 100KB 左右,超出了 62 个扇区的限制)。

Grub Stage2

当 Grub-Stage2 被载入内存执行时,它首先会去解析 grub 的配置文件 /boot/grub/grub.conf ,然后加载内核镜像到内存中,并将控制权转交给内核。控制权转交给操作系统后,操作系统的内核首先被载入内存。

bootloader 执行完成后内存的分布如下图所示,详见 Documentation/i386/boot.txt Linux-x86 的启动协议。

hardware bios bootseq

现在 Linux 的镜像已经加载到了内存中,主要包括了两部分:A) 运行在实模式中,加载到了 640K 以下的内存;B) 运行在保护模式的内核,加载到了 1M+ 。

上图所示的 real-mode kernel header 之上的内容在 Linux boot protocol 中定义,主要用来 Bootloader 和 Linux Kernel 之间进行通讯。其中包括了 Bootloader 运行时写入的内容,如果内核版本、内核参数的地址等。当完成了一系列初始化之后,那么就会跳转到 Linux Kernel 中执行。

首先加载的是 setup.bin,其中包括了开始的 512(0x200)bytes 的 bootsector 用于兼容之前的版本,正常应该不会执行的,如果执行会输出错误信息。可以通过 vim+%!xxd 打开 setup.bin 文件查看,0x200 处为 eb 也就是一个调转指令,也就是入口 _start。

其实在 GRUB 等 bootloader 将内核的 setup.bin 读到 0x90000 处,将 vmlinux 读到 0x100000 处(grub拷贝时会打开保护模式,然后关闭),然后跳转到 0x90200 开始执行,恰好跳过了 512 字节的 bootsector。

那么接下来就将 CPU 的执行权限交给了 Linux 。

参考

介绍开关键按下到 BIOS 启动,含有硬件的介绍,可以参考 CPU Reset;以及 Big Real Mode 的介绍

All the Details of many versions of both MBR and OS Boot Records 对各个版本 MBR 的介绍,含有 Windows 下的工具,十分详细。



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