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使用 systemd 的 Linux 操作系统启动顺序 - 确切的正确步骤是什么？

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使用 systemd 的 Linux 操作系统启动顺序 - 确切的正确步骤是什么？

Linux操作系统启动时序图

如果有人可以确认以下步骤是否正确，那就太好了。 我想知道具体的正确步骤。

  1. 打开计算机电源。

  2. 基本 I/O 系统 (BIOS/UEFI)。第一个执行的程序存储在 PC 主板上的 ROM 中。

    • 固件 (BIOS/UEFI)：通知设备处理器如何开始启动过程的程序被视为固件。
    • 固件在制造过程中直接安装到硬件上。
    • 计算机、手机和平板电脑依靠 BIOS 和 EFI 等固件来加载操作系统。

  3. 执行 POST（开机自检）以验证 H/W 组件是否处于工作状态。

  4. 寻找可启动设备。如果找到则将 CONTROL 移交给设备的第一个扇区，即 MBR

  5. 主引导记录 (MBR)。 512 字节，任何可启动设备的第一个扇区都包含用于启动机器的机器代码指令。它有以下信息：

    • 引导加载程序信息（446 字节）— 指向引导加载程序的小型低级代码 [引导加载程序位于何处？] /boot/grub2/grub.cfg
    • 分区表信息（64字节）[操作系统位于文件系统中的哪个位置？]
    • 错误检查（2 个字节）
    • 它会将引导加载程序 (GRUB2) 加载到内存中并将控制权移交给它。

  6. GRand 统一引导加载程序 (GRUB2)

    • 它是加载操作系统的程序。它曾经适合 MBR（446 字节），但由于大小不断增加，操作系统的复杂性也在增加。它不是一个单一的程序，它允许正确解释文件系统。
    • 启动时由 MBR 从 /boot/grub2/grub.cfg 加载到内存中
    • 用户可以看到 GUI 要求选择不同的操作系统或内核来启动。
    • 一旦选择了内核，它就会找到相应的内核可执行文件。
      • /boot/vmlinuz-4.18.0-408.el8.x86_64
    • 主要工作是将内核和 initramfs [initramfs-4.18.0–408.el8.x86_64.img] 加载到内存中。
    • 一旦内核被加载到 RAM 中，它就会将 CONTROL 传递给它。

  7. 核心：

    • 一旦 Linux 内核控制了系统（由引导加载程序加载后获得），它就会准备其内存结构和驱动程序（初始化硬件）。内核正在启动。
    • 我们可以看到很多消息，可以通过RHGB和安静来抑制。 [要启用消息传递，请修改 /etc/default/grub 中的参数 GRUB_CMDLINE_LINUX；然后运行 ​​#grub2-mkconfig > /boot/grub2/grub.cfg 并重新启动]
    • 某些基于 Linux 的计算机系统需要 initramfs 才能正确启动。如果存在，那么内核将从 initramfs 执行 /init 脚本。
    • 具有外来驱动程序或设置的系统或加密文件系统需要 initramfs，以便 Linux 内核能够将控制权移交给系统上的 init 二进制文件。

  8. initramfs: ref-10

    • initramfs 是基于 tmpfs 的初始 ram 文件系统。它提供了早期的用户空间，可以做内核在启动时无法做的事情。
    • 它包含在调用实际根文件系统上的 init 二进制文件之前挂载文件系统所需的工具和脚本。
    • 这些工具可以是解密抽象层（用于加密文件系统）、逻辑卷管理器、软件raid、基于蓝牙驱动程序的文件系统加载器等。
    • 在引导时，内核会检查 initramfs 是否存在，或者引导加载程序会通知 Linux 内核 initramfs 已加载。
    • 如果找到，Linux 内核将创建一个 tmpfs 文件系统，提取其上的存档内容，然后启动位于 tmpfs 文件系统根目录中的 /init 脚本。
      • [initramfs 至少包含一个名为 /init.d 的文件。该文件由内核作为主 init 进程（PID 1）执行。它必须完成所有工作。] ref-7
    • 然后，该脚本将真正的根文件系统挂载在 /sysroot 下（在确保它可以挂载它之后，例如通过加载附加模块、准备加密抽象层等）以及重要的其他文件系统（例如 /usr 和/var ）。
    • 一旦安装了根文件系统和其他重要文件系统，initramfs 中的 init 脚本会将根切换到真正的根文件系统（请记住，这是 switch_root 操作而不是ivot_root）。
      • [switch_root 操作是将 /sysroot 切换到真正的根文件系统，从那里开始执行内容，然后从内存中删除 initramfs。]
    • 最后调用该系统真实根文件系统上的 /sbin/init (init -> /usr/lib/systemd/systemd) 二进制文件作为主 init 进程（PID 1 - 从 initramfs /init 继承，请参阅 exec 详细信息）以继续引导过程。

  9. 系统：

    • 第一个服务加载了 PID 1
    • 从 /etc/fstab 挂载文件系统。
    • 并行启动所有必需的服务和进程。
      • [/etc/systemd/system/default.target]
    • 它开始寻找启动到默认目标所需依赖项的文件。
    • 一旦默认目标启动并且用户可以看到登录提示，则我们可以说系统启动成功。

参考：

1. https://opensource.com/article/20/5/systemd-startup
2. https://opensource.com/article/20/5/systemd-units
3. https://opensource.com/article/20/4/systemd
4. https://www.quora.com/What-is-chroot-Sysroot
5.https://blog.csdn.net/flynetcn/article/details/131828832
6. https://www.linfo.org/vmlinuz.html
7. https://wiki.gentoo.org/wiki/Custom_Initramfs
8. https://www.linuxfromscratch.org/blfs/view/svn/postlfs/initramfs.html
9. https://www.quora.com/What-exactly-is-the-initramfs-program-in-Linux-Is-it-a-script-binary-or-what
10. https://wiki.gentoo.org/wiki/Initramfs/Guide
11. https://wiki.ubuntu.com/Initramfs
12. https://www.youtube.com/watch?v=saovaEhA85g
13. https://www.youtube.com/watch?v=sOIOY6Ks0xA&t=423s
14. https://sourcemage.org/HowTo/initramfs
15. https://web.archive.org/web/20160730094856/http://wiki.sourcemage.org/HowTo(2f)Initramfs.html
16. https://tiebing.blogspot.com/2014/02/linux-switchroot-vs-pivotroot-vs-chroot.html
17. https://unix.stackexchange.com/questions/126217/when-would-you-use-pivot-root-over-switch-root
18. https://linux.die.net/man/8/pivot_root
19. https://linux.die.net/man/8/switch_root
20. https://en.wikipedia.org/wiki/Exec_(system_call)
21. https://www.baeldung.com/linux/exec-command-in-shell-script
22. https://eng.libretexts.org/Bookshelves/Computer_Science/Operating_Systems/Linux_-_The_Penguin_Marches_On_(McClanahan)/13%3A_Working_with_Bash_Scripts/3.09%3A_Positional_Parameters_exec_Command_source_Command#:~:text=%20exec%20command%20in%20Linux ,返回% 20到%20%20调用%20进程。
23. https://en.wikipedia.org/wiki/Overlay_（编程）
24. https://superuser.com/questions/782008/linux-boot-time-scrolling-messages
25. https://itnixpro.com/how-to-view-linux-boot-messages-using-dmesg-command/?utm_content=cmp-true
26. https://linux-audit.com/finding-boot-logs-in-systemd-journals/
27. https://www.loggly.com/ultimate-guide/using-journalctl/

答案1

好吧，你的 initramfs 和 systemd 部分是正确的，但其余的 - 不一定。

确切的正确步骤是什么？

这样的问题的问题是有没有单身“完全正确的步骤”答案 – 有一个种类繁多在每个步骤中，具体取决于硬件平台、Linux 发行版等等。

对于特定 PC 平台上的某些特定 Linux 发行版（2010 年代 PC 上的新 RHEL/Fedora？），您的描述在某个时间点是正确的，但同时另一台 PC 可能使用了不同的引导加载程序而不是 GRUB ，或者可能使用完全不同的引导程序而不是 MBR 扇区 – 但两者都是“正确的”。

  1. —

    （嗯，在“开机”和“BIOS”之间，您可以包含在开机时实际初始化 CPU 的隐藏进程，例如 Intel 的 ME 或 AMD 的 PSP，它们实际上是第一个运行的独立 CPU ，在执行“BIOS”之前准备主 CPU，不过，由于这对用户来说是完全不可见的，所以可以忽略它并假装 BIOS 是第一个。）

  2. 虽然“BIOS”可能是一个通用术语，但实际上它特指 IBM PC 风格的固件，目前大多数 x86 PC 都使用这种固件不再使用– 几乎全部使用“UEFI”类型固件； UEFI 通常会包含 BIOS 接口的兼容性模块，但越来越多的情况不再包含。

    对于其他类型的计算机，它的准确度甚至更低。据我所知，Intel Mac 一直都有 EFI（没有“BIOS”）； Apple Silicon Mac 拥有完全定制的系统固件； Chromebook 使用 Coreboot；各种ARM64计算机可能有 UEFI – 或者可能使用其他东西。

    一般来说，最好将其称为“系统固件”。

  3. —

  4. 就 PC 而言（暂时忽略嵌入式设备），这仅适用于 IBM PC BIOS 引导过程。例如，具有 UEFI 的系统根本不使用第一个扇区的引导代码；相反，固件理解文件系统并将引导代码作为常规文件存储在特殊分区中。

  5. 同样，对于 IBM PC BIOS 准确，但对于 UEFI 不准确。

    虽然扇区可能仍包含分区表（尽管更常见的是使用扇区 2+ 的 GPT 分区表），但 UEFI不使用引导代码来自此处，但直接从文件系统启动 GRUB2。

    （“EFI系统分区”的ID和文件路径通常由固件本身存储在NVRAM中，并且可以有多个 - 固件有自己的启动菜单。）

    不过，对于 BIOS，大致有两种引导扇区：a) 跳转到“活动”的第一个扇区的引导扇区分割（又名 VBR），这就是 Syslinux 和 Windows 等发生的情况； b) 跳转到安装时定义的固定扇区位置的文件，这就是 GRUB 的 MBR 的作用。

    无论哪种情况，BIOS MBR 中的引导代码都太小，无法理解 grub.cfg。这仅由下一个MBR 将启动的阶段。

  6. 虽然 GRUB2 很常见，但它绝不是通用的。 （例如，Syslinux 相当常见，rEFInd 和 systemd-boot 也是如此。如今，特别是在 UEFI 系统上，内核映像 (vmlinuz) 本身嵌入了一个存根加载程序，允许固件直接执行它。）

    而且，它从来不适合 MBR——GRUB2 和 GRUB0.x 都不适合。即使在 MS-DOS 中，MBR 也没有做更多的事情，只是找到“活动”分区并跳转到其 VBR（然后加载 IO.SYS，并且仅那最终会加载 DOS 内核）。因此，虽然 GRUB2 与其他引导加载程序相比确实很大，但它根本不是什么新鲜事。

    （最后，涉及两个 grub.cfg - 一个微小的“引导”grub.cfg，它直接嵌入到 grub 安装过程中生成的 GRUB 内核映像中，它指向您在中找到的“真实”grub.cfg 的位置/boot/grub。因此，说 GRUB 是“从”/boot/grub2/grub.cfg 加载的并不准确。）

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