BUAA-OS-Theory-Chapter2

第2章 系统引导

计算机启动前必须使得硬件处在最安全、通用、功能最弱的状态，并在启动过程中对硬件进行设置，逐步提升硬件处理能力

• 必须使用启动程序对计算机进行启动
• 启动程序必须运行在启动好的计算机上

OS启动是一个逐步释放系统灵活性的过程

启动的流程：BIOS → MBR → BootLoader → OS

BootLoader

引导加载程序，是系统加电后运行的第一段代码，在操作系统内核启动前运行

• Booter：初始化并运行系统硬件
• Loader：将操作系统代码加载到内存中，并跳转运行

嵌入式系统经常用U-boot作为OS装载程序，X86常使用LILO和GRUB

计算机的启动过程（MIPS）

MIPS架构使用的U-boot分为stage1和stage2两个阶段，通常stage1使用汇编语言实现，stage2使用C语言实现

• stage1实现简单的功能，初始化设备
• stage2在stage1的基础上可以实现更复杂的功能

MIPS的基本地址空间

在32位系统下，程序地址空间（共4GB）被划分为四个区域，不同区域具有不同的属性：

按物理地址自下而上地，具有自己的特征：

• kuseg：用户态可用地址，只有在MMU建立好后才能使用这2GB的地址
• kseg0：去除最高位后，能直接映射到地址从0开始的区域；只有在cache设置好后才能访问这段地址
  • 几乎访问这段地址时都需要经过cache
  • 对于有MMU的系统，操作系统核心存放在这个区域
• kseg1：去除高三位后与kseg0类似，但非cache存取
  • kseg1是唯一在系统重启时能正常工作的地址空间：MIPS系统的启动入口地址为0xBFC00000，就位于kseg1段内
• kseg2：仅核心态可用地址，同样需要先建立MMU

MIPS启动stage1

MIPS启动stage2

stage2开始时在board_init_f中初始化并分配内存、堆和栈，把U-boot代码复制至ram上运行，在结束时启动Linux kernel

MIPS下Linux系统引导过程

• BootLoader将Linux内核移动到指定的物理地址处，确定内核开始执行的第一条指令地址
• 第一阶段从head.s文件开始，初始化堆栈、内存等
• 第二阶段从start_kernel()开始初始化硬件平台相关的代码

计算机的启动过程（X86）

计算机首先跳转至BIOS处运行寻找硬件设备，随后读取MBR区段并把控制权转移给操作系统的BootLoader

BIOS

BIOS设置程序是在ROM上固定的一组程序，为电脑提供最底层的硬件控制，与硬件系统集成在一起

• 系统上电时会自动跳转至BIOS存放的地址开始运行，等待BIOS提供硬件等信息
• Power-On Self-Test：BIOS支持上电自检，保证关键组件都能启动并正确初始化
• BIOS可更改启动引导设备

UEFI与BIOS

• EFI使用模块化、C语言风格的参数堆栈传递方式，动态链接的形式构建的系统，突破了BIOS16位的寻址限制

MBR

硬盘上第0磁头第0磁道第1扇区被称为MBR(Master Boot Record)，大小为512B

• MBR中存放了BootLoader和驱动器的逻辑分区信息：前446字节为启动代码与数据（BootLoader），随后是16字节的分区数据*4个分区（分区数据意义见课件P39），最后的两个字节应存放AA 55，他们被称为幻数（当BIOS读取MBR时，如果末位无幻数就认为这是一个没有分区的硬盘）

• 硬盘分区共三种：主磁盘分区、扩展磁盘分区、逻辑分区
• MBR限制磁盘至多只能有4个主分区，系统必须位于主分区上
• 单一硬盘最多4个主分区，最多一个拓展分区，（并且主+扩不超过4），逻辑分区可有若干个
• 主分区只能有一个为激活状态

X86下的Linux系统引导过程

当MBR被读取到内存中后，其中的BootLoader接管系统，并初始化硬件设备、建立内存映射，为启动系统做好准备

• BIOS将MBR读入0x7C00处，检查0x7DFE是否为0xAA55后，执行MBR程序
• 将自身复制至0x0600
• 搜索激活的主分区，将其第一个扇区（Boot Sector）读入0x7C00处，检查0x7DFE是否为0xAA55，跳转0x7C00执行特定系统的启动程序

MBR与分区引导扇区Boot Sector

• 启动顺序有先后。PC机启动时，先执行MBR，再根据选择执行某个分区下的boot sector。
  • （选择执行的boot sector所在分区就是活动分区。“用户选择一个操作系统” 实际上也就是选择一个分区作为活动分区。）
• boot sector可以为空（没装系统），但MBR必须包含内容。
• MBR必须被读取并执行；引导扇区根据选择执行，有的甚至可以不执行（即上文中的”数据是无效的”）。
• MBR实际上包含的内容也比boot sector广泛，MBR中相当于包含了硬盘整体层面上的引导扇区(自举装入程序）、根目录区（分区表）。
• MBR选择Boot Sector，Boot Sector驱动分区内的操作系统