Linux啟動流程

前言：

這篇主要描述Linux啟動流程，並從啟動流程帶出現代作業系統的開機流程設計，

並進一步延伸non-OS系統的設計概念。

Linux啟動流程：

Linux啟動的完整流程原則上如下圖：

硬體：

不論電腦使用哪種CPU，CPU在通電做完硬體極少的工作後，就會跳到某個固定的記憶體位址執行。

對於PC來說，PC有BIOS，CPU通電後會執行BIOS，BIOS做完系統檢查後，

會根據CMOS中選擇的開機裝置(軟碟、光碟、硬碟、USB光碟、USB硬碟...等)，

跳到特定位址執行。

對於嵌入式系統來說，就是跳到固定位址，BootLoader接手執行。

BootLoader：

BootLoader中文就是「開機程式」，在PC Linux上，常見的就是GRUB，

在嵌入式系統上有幾套常見的BootLoader，目前來說，uboot是最常見的BootLoader。

BootLoader主要工作其實只有2個：

1. 將Kernel從各種奇怪的媒體裝置(光碟、硬碟、網路)讀取到記憶體(RAM)中
2. 跳到Kernel在記憶體中的位址執行

這邊標注一下，嵌入式系統中，牽涉到開機部份，經常看到「跳躍」、「跳到」之類的名詞，

實際意義是，CPU就是不斷執行下個指令的裝置，要讓它到某個位址執行，

就直接用組合語言的JUMP 0xoooooo，它就會跳過去執行了，

所以會用「跳躍」、「跳到」某個位址執行來描述。

initrd/initramfs：

這是Linux特有的設計，它其實跟rootfs是一樣的東西，可以把它看作是小rootfs。

在Linux上，initrd/initramfs用途是：

在正式進入系統前的特殊操作，都可以放入initrd/initramfs中處理。

例如：

• Linux Kernel module載入工作
• 系統硬體檢查
• 系統故障時的處置

在Linux上，不一定需要有initrd/initramfs，

可以在Kernel載入後，直接跳入rootfs，並沒有硬性規定一定要有initrd/initramfs；

同樣的，Linux上也沒有硬性規定一定要有rootfs，

可以直接把initrd/initramfs當rootfs直接使用。

initrd和initramfs這2個稱呼都有人使用，早期的Linux是稱叫initrd，

在Linux 2.6版將它重新設計，重新設計後稱為initramfs，

所以有人繼續沿用initrd稱呼，有人稱initramfs，但不論哪種稱呼，都是描述這個東西。

initrd/initramfs和rootfs有項最大的不同，initrd/initramfs整個是執行在RAM當中，

它的執行環境直接是RAM Disk，這有2項特色：

1. 執行週期(在initrd/initramfs中執行過程)的檔案變動，都不會影響initrd/initramfs的內容
2. initrd/initramfs越大，佔用RAM越大
3. 因為執行在RAM中，可以在此時對Linux各部份進行修改、變動， 不會有媒體佔用(disk busy...等)的問題。

例如：重新燒錄Kernel、rootfs、initrd/initramfs

rootfs：

在Linux中，rootfs有2項含意：

1. rootfs是實際的系統所在，它的概念等同於Windows的C磁碟或系統碟
2. 在啟動流程中，rootfs代表系統實際進入rootfs(系統碟)， 並由rootfs(系統碟)內的啟動程序接手執行

當rootfs的啟動程序完成後，就是我們看到的Linux畫面，此時所有的操作，都是在rootfs中進行。

rootfs不一定需要，嵌入式系統中，很可能因為Flash太小，直接捨棄rootfs，

將initrd/initramfs當rootfs使用。

現代作業系統的開機流程：

前面描述了Linux的開機流程，大致系統開機，所以這邊簡單的描述現代作業系統的開機流程。

現代作業系統的開機流程圖：

目前主流的作業系統，開機都是類似的流程，去除Linux特有的initrd/initramfs後，

就是大部分作業系統的開機流程，以Windows為例：

Windows的動作流程其實一致，但名稱不同。

BootLoader：

Windows稱為NTLDR。

在開機時，如果有多個OS，會出現一個中文的選單，

像是WinXP會顯示「Microsoft Windows XP」，這個就是Windows的BootLoader。

在以前MCSE課程中，關於開機啟動的Troubleshooting部份，

就有提到NTLDR missing時的處理，這其實就等於GRUB出現找不到開機程式時的問題解決方式。

Kernel：

Windows的Kernel稱為ntoskrnl.exe，早期放在C:\，並用系統檔案屬性隱藏。

rootfs：

Windows的rootfs稱為「系統碟」。

在安裝Windows時，一個部份是選擇安裝磁碟，你可以將系統裝在D:\、E:\，

系統碟的最重要辨識方式是，Windows資料夾和Program Files資料夾在哪個磁碟，

這個磁碟就是系統碟。

non-OS系統的設計概念：

所謂non-OS系統的意思，就是這個電腦系統沒有作業系統，一個盲點就出現了，

電腦沒有作業系統可以跑？

答案是肯定的，電腦沒有作業系統也是可以跑的，在很多低階單晶片系統中，

沒有作業系統一樣跑得很開心。

non-OS系統有什麼不同？從執行流程來看，如下：

有前面作業系統執行流程的理解後，這邊再看看non-OS系統的執行流程，

此時會發現，其實啟動概念相同。

在non-OS系統中同樣有硬體、BootLoader，

但Kernel和rootfs都沒有，而是自行撰寫的嵌入式程式。

嵌入式程式：

嵌入式程式最重要的關鍵是Loop，因為CPU的功能就是不斷地執行下個指令，

因此嵌入式程式內的設計就是要設計個while-loop，

讓CPU在執行到最後時，會回到while開頭重頭執行。

更低階的單晶片系統設計更簡化，連BootLoader都沒有，因此執行流程變為：

最基本的Kernel設計：

Kernel內設計很複雜，詳細的細節原則上就是參考「作業系統」教科書，

裡面大致區分了Scheduler、Memory Manager...等一堆設計。

其實我們把Kernel單純化到極限，從non-OS系統的角度來看Kernel設計，

其實Kernel就是個超大型的while-loop程式，如下圖：

看起來其實和non-OS系統差不多，最主要就是Kernel內多了Scheduler這個元件，

透過它動態選擇不同的Task(在Linux上就是Process)執行。