在博文“Linux系统启动过程分析”中我们了解了linux系统的启动流程，今天我们就来手动一步一步从头来构建一个最小的linux系统，然后用模拟器将其加载起来。常见的模拟器有Qemu、Bochs、VMWare、VPC、Virtual Box和Xen等，以及特殊的模拟UML(User-Mode-Linux)，这里我们选择用VMWare。

我们制作的Linux系统有shell功能，支持Web Server，telnet等服务，以及ifconfig，vi等常见工具。准备工作：
在http://www.kernel.org 下载内核源代码 linux-2.6.21.tar.bz2；
在http://www.busybox.org 下载busybox源码 busybox-1.14.4.tar.bz2。
在本地新建一个目录，例如/home/DIY，当然你可以随便选择，然后将下载的内核源码和busybox源码包拷贝到/home/DIY目录下；

A)、构造根文件系统
我们都知道标准的发行版linux其目录结构一般是如下这个样子：

我们制作的linux运行起来之后当然也应该有个类似的目录结构。这里我们只选择一些必须的目录，因为我们构建的是“最小”的Linux系统。
在/home/DIY目录下依次执行如下命令：

在rootfs/etc目录下分别建立如下各个文件group、inittab、profile、protocols、
rcS和services：
点击(此处)折叠或打开

###################### /etc/group ###################### from here
root:x:0:
ftp:x:800:
nogroup:x:65534:

######################/etc/inittab ###################### from here
::sysinit:/etc/rcS
tty1::askfirst:-/bin/sh –login
tty2::askfirst:-/bin/sh –login
tty3::askfirst:-/bin/sh –login

######################/etc/profile ###################### from here

#!/bin/sh

cat <<EOF

Welcome to DIY

EOF
export PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin

######################/etc/protocols ###################### from here

Internet (IP) protocols

#
ip 0 IP
icmp 1 ICMP
igmp 2 IGMP
ggp 3 GGP
ipencap 4 IP-ENCAP
st 5 ST
tcp 6 TCP
egp 8 EGP
igp 9 IGP
pup 12 PUP
udp 17 UDP
hmp 20 HMP
xns-idp 22 XNS-IDP
rdp 27 RDP
iso-tp4 29 ISO-TP4
xtp 36 XTP
ddp 37 DDP
idpr-cmtp 38 IDPR-CMTP
idrp 45 IDRP
rsvp 46 RSVP
gre 47 GRE
esp 50 IPSEC-ESP
ah 51 IPSEC-AH
skip 57 SKIP
rspf 73 RSPF CPHB
vmtp 81 VMTP
eigrp 88 EIGRP
ospf 89 OSPFIGP
ax.25 93 AX.25
ipip 94 IPIP
etherip 97 ETHERIP
encap 98 ENCAP
pim 103 PIM
ipcomp 108 IPCOMP
vrrp 112 VRRP
l2tp 115 L2TP
isis 124 ISIS
sctp 132 SCTP
fc 133 FC

######################/etc/rcS ###################### from here

#!/bin/sh

export PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t tmpfs tmpfs /dev -o size=512K,mode=0755
echo DIY > /proc/sys/kernel/hostname

mkdir -p /var/run /var/log /var/lock /var/state \
/var/tmp /var/mnt /dev/pts /dev/shm
mount devpts /dev/pts -t devpts

echo /bin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
mdev -s

ifconfig lo 127.0.0.1 up
ifconfig eth0 192.168.1.1 netmask 255.255.255.0 up

telnetd -l /bin/sh
httpd -h /www

###################/etc/services ################# from here
ssh 22/tcp
ssh 22/udp
telnet 23/tcp
telnet 23/udp
http 80/tcp www www-http
http 80/udp www www-http
login 513/tcp
shell 514/tcp cmd
再在rootfs/www目录下建立一个index.html文件，内容如下：
点击(此处)折叠或打开

Success!

Welcome to DIY linux!

最后rootfs目录的组织结构如下：

其他的命令行工具由接下来的busybox生成。
B)、编译busybox
在Linux系统中常用的工具，如 bash、grep命令、sed 命令、telnetd等，这里为了方便省事，我就用busybox来代替了。现在的busybox拥有非常多的工具，真正成为一个“Busy”的box。后面的例子将尝试只使用 busybox来充当所有应用层所需要的工具集。包括Shell，网络配置，web服务器，telnet等。而busybox也由此得到一个称号“嵌入式世界的瑞士军刀”。

将修改后的“ busybox.config.txt ”复制到busybox-1.14.4目录下重命名为“.config”，注意文件名前面的点“.”绝对不能省略。

之后弹出如下界面：

在配置界面下，我们依次选择：Busybox Settings => Build Options 然后选中(按空格键)，这里我们将编译生成静态库的busybox，如下图中所示选项：

配置busybox的安装目录，依次选择：Busybox Settings => Installation Options ，如下：

保存配置后执行编译命令make：

编译完成后执行make install：

这样我们编译的busybox工具就安装到前面我们创建的rootfs目录中了，此时rootfs目录下的组织结构就变成了如下这个样子：

不管是bin，sbin，usr/bin还是usr/sbin目录下的命令都是到/bin/busybox应用程序的软连接。目前rootfs这个目录结构和我们常见的linux发行版的目录结构还是有些差异，所以我们继续往rootfs中增加dev，proc，tmp，var，lib，root和sys目录：

这样子就更像一个“标准”linux发行版的样子了。接下来我们来制作一个ramdisk的初始化文件，名为initrd。Linux内置支持以RAM磁盘的形式来启动。关于Linux系统的启动流程请参见博文“Linux系统启动过程分析”里的详细描述。
C)、制作initrd文件

D)、编译Linux内核源码
解压内核源码，然后将我修改后的内核配置文件“ linux.config.txt ”拷贝到linux-2.6.21目录下，重命名为“.config”，如下：

执行make menuconfig可以查看哪些配置项已经被选上：

执行make命令开始编译内核：

我们提供的内核配置文件linux.conf将模块已经静态编译到内核中去了，这样就会造成内核比较大，如果是采用动态加载模块的话，需要将所有模块安装到前面制作的ramdisk里。编译好的内核镜像，一般位于：
• 对于x86平台，压缩后的核心是 arch/x86/boot/bzImage；
• 对于MIPS平台，压缩后的核心是 arch/powerpc/boot/zImage；
• 对于arm平台，压缩后的核心是 arch/arm/boot/zImage
……
E)、用VMWare加载内核
将arch/x86/boot/bzImage和/home/DIY/initrd文件拷贝到linux系统的/boot目录下，然后修改/boot/grub/menu.lst，在其中添加如下一项：
点击(此处)折叠或打开
title DIY Your OS
root (hd0,0)
kernel /bzImage rw root=/dev/ram rootfs_size=8M
initrd /initrd
PS：因为我们制作的initrd文件大小就是8M，所以rootfs_size=8M。
重启VMware，在启动界面我们自己built的linux系统：

启动后效果如下：

我们可以看到eth0接口已经up了，其IP地址默认为192.168.1.1，因为我虚拟机的IP地址池是192.168.6.*网段的，所以手动将eth0的接口IP设置为192.168.6.135：

然后通过web和telnet访问我们自己做的系统，最终的访问结果如下：

小结：

通过今天的学习相信大家对Linux系统的运行原理和启动流程的认识又上了一个新的台阶，更重要的是学会了如何手动构建一个“最小”的Linux“发行版”系统。那么，现在回过头来再看那些商业版的Linux系统，其实本质和我们今天做工作的差不多，所以，如果有条件我们也可以发行一个自己的系统了:)。

Linux系统启动过程分析

经过对Linux系统有了一定了解和熟悉后，想对其更深层次的东西做进一步探究。这当中就包括系统的启动流程、文件系统的组成结构、基于动态库和静态库的程序在执行时的异同、协议栈的架构和原理、驱动程序的机制等等。
本人在综合了现有网上大家智慧的基础上，结合对2.6.32的内核代码的研读，基于CentOS 6.0系统对Linux的启动流程做了些分析。由于才疏学浅，知识所限，有些地方分析不妥之处还请各位高手不吝赐教。
OK，我们言归正传。对于一台安装了Linux系统的主机来说，当用户按下开机按钮时，一共要经历以下几个过程，如图：

其中，每个过程都执行了自己该做的初始化部分的事情，有些过程又可分为好几个子过程。接下来，我们就对每个阶段做一个详细分析和讲解。

BIOS自检

稍有计算机基础的人都应该听过BIOS(Basic Input / Output System)，又称基本输入输出系统，可以视为是一个永久地记录在ROM中的一个软件，是操作系统输入输出管理系统的一部分。早期的BIOS芯片确实是"只读"的，里面的内容是用一种烧录器写入的，一旦写入就不能更改，除非更换芯片。现在的主机板都使用一种叫Flash EPROM的芯片来存储系统BIOS，里面的内容可通过使用主板厂商提供的擦写程序擦除后重新写入，这样就给用户升级BIOS提供了极大的方便。
BIOS的功能由两部分组成，分别是POST码和Runtime服务。POST阶段完成后它将从存储器中被清除，而Runtime服务会被一直保留，用于目标操作系统的启动。BIOS两个阶段所做的详细工作如下：
 步骤1：上电自检POST(Power-on self test)，主要负责检测系统外围关键设备（如：CPU、内存、显卡、I/O、键盘鼠标等）是否正常。例如，最常见的是内存松动的情况，BIOS自检阶段会报错，系统就无法启动起来；
 步骤2：步骤1成功后，便会执行一段小程序用来枚举本地设备并对其初始化。这一步主要是根据我们在BIOS中设置的系统启动顺序来搜索用于启动系统的驱动器，如硬盘、光盘、U盘、软盘和网络等。我们以硬盘启动为例，BIOS此时去读取硬盘驱动器的第一个扇区(MBR，512字节)，然后执行里面的代码。实际上这里BIOS并不关心启动设备第一个扇区中是什么内容，它只是负责读取该扇区内容、并执行。

至此，BIOS的任务就完成了，此后将系统启动的控制权移交到MBR部分的代码。
PS: 在个人电脑中，Linux的启动是从0xFFFF0地址开始的。

系统引导

我们首先来了解一下MBR，它是Master Boot Record的缩写。硬盘的0柱面、0磁头、1扇区称为主引导扇区。它由三个部分组成，主引导程序(Bootloader)、 硬盘分区表DPT（Disk Partition table）和硬盘有效标志（55AA），其结构图如下所示：

 磁盘分区表包含以下三部分：
 1）、Partition ID  （5：延申  82：Swap   83：Linux   8e：LVM     fd：RAID）
 2）、Partition起始磁柱
 3）、Partition的磁柱数量
通常情况下，诸如lilo、grub这些常见的引导程序都直接安装在MBR中。我们以grub为例来分析这个引导过程。
grub引导也分为两个阶段stage1阶段和stage2阶段(有些较新的grub又定义了stage1.5阶段)。
 1)、stage1：stage1是直接被写入到MBR中去的，这样机器一启动检测完硬件后，就将控制权交给了GRUB的代码。也就是上图所看到的前446个字节空间中存放的是stage1的代码。BIOS将stage1载入内存中0x7c00处并跳转执行。stage1（/stage1/start.S）的任务非常单纯，仅仅是将硬盘0头0道2扇区读入内存。而0头0道2扇区内容是源代码中的/stage2/start.S，编译后512字节，它是stage2或者stage1_5的入口。而此时，stage1是没有识别文件系统的能力的。如果感觉脑子有些晕了，那么下面的过程就直接跳过，去看stage2吧！
 【外传】定位硬盘的0头0道2扇区的过程：
  BIOS将stage1载入内存0x7c00处并执行，然后调用BIOS INIT13中断，将硬盘0头0道2扇区内容载入内存0x7000处，然后调用copy_buffer将其转移到内存0x8000处。在定位0头0道2扇区时通常有两种寻址方式：LBA和CHS。如果你是刨根问底儿型的爱好者，那么此时去找谷哥打听打听这两种方式的来龙去脉吧。
  2)、stage2：严格来说这里还应该再区分个stage1.5的，就一并把stage1.5放在这里一起介绍了，免得大家看得心里乱哄哄的。好的，我们继续说0头0到2扇区的/stage2/start.S文件，当它的内容被读入到内存之后，它的主要作用就是负责将stage2或stage1.5从硬盘读到内存中。如果是stage2，它将被载入到0x820处；如果是stage1.5，它将被载入到0x2200处。这里的stage2或者stage1_5不是/boot分区/boot/grub目录下的文件，因为这个时候grub还没有能力识别任何文件系统。
 ?  如果start.S加载stage1.5：stage1.5它存放在硬盘0头0道3扇区向后的位置，stage1_5作为stage1和stage2中间的桥梁，stage1_5有识别文件系统的能力，此后grub才有能力去访问/boot分区/boot/grub目录下的 stage2文件，将stage2载入内存并执行。
 ?  如果start.S加载stage2：同样，这个stage2也不是/boot分区/boot/grub目录下的stage2，这个时候start.S读取的是存放在/boot分区Boot Sector的stage2。这种情况下就有一个限制：因为start.S通过BIOS中断方式直接对硬盘寻址（而非通过访问具体的文件系统），其寻址范围有限，限制在8GB以内。因此这种情况需要将/boot分区分在硬盘8GB寻址空间之前。
 假如是情形2，我们将/boot/grub目录下的内容清空，依然能成功启动grub；假如是情形1，将/boot/grub目录下stage2删除后，则系统启动过程中grub会启动失败。

启动内核

当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。而内核会立即初始化系统中各设备并做相关的配置工作，其中包括CPU、I/O、存储设备等。

关于Linux的设备驱动程序的加载，有一部分驱动程序直接被编译进内核镜像中，另一部分驱动程序则是以模块的形式放在initrd(ramdisk)中。
Linux内核需要适应多种不同的硬件架构，但是将所有的硬件驱动编入内核又是不实际的，而且内核也不可能每新出一种硬件结构，就将该硬件的设备驱动写入内核。实际上Linux的内核镜像仅是包含了基本的硬件驱动，在系统安装过程中会检测系统硬件信息，根据安装信息和系统硬件信息将一部分设备驱动写入 initrd 。这样在以后启动系统时，一部分设备驱动就放在initrd中来加载。这里有必要给大家再多介绍一下initrd这个东东：
initrd 的英文含义是 bootloader initialized RAM disk，就是由 boot loader 初始化的内存盘。在 linu2.6内核启动前，boot loader 会将存储介质中的 initrd 文件加载到内存，内核启动时会在访问真正的根文件系统前先访问该内存中的 initrd 文件系统。在 boot loader 配置了 initrd 的情况下，内核启动被分成了两个阶段，第一阶段先执行 initrd 文件系统中的init，完成加载驱动模块等任务，第二阶段才会执行真正的根文件系统中的 /sbin/init 进程。
另外一个概念：initramfs
initramfs 是在 kernel 2.5中引入的技术，实际上它的含义就是：在内核镜像中附加一个cpio包，这个cpio包中包含了一个小型的文件系统，当内核启动时，内核将这个 cpio包解开，并且将其中包含的文件系统释放到rootfs中，内核中的一部分初始化代码会放到这个文件系统中，作为用户层进程来执行。这样带来的明显的好处是精简了内核的初始化代码，而且使得内核的初始化过程更容易定制。
疑惑的是：我的内核是2.6.32-71.el6.i686版本，但在我的/boot分区下面却存在的是/boot/initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img类型的文件，没搞明白，还望高人解惑。我只知道在2.6内核中支持两种格式的initrd，一种是2.4内核的文件系统镜像image-initrd，一种是cpio格式。接下来我们就来探究一下initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img里到底放了那些东西。

在tmp文件夹中解压initrd.img里的内容：

如果initrd.img文件的格式显示为“initrd.img:ISO 9660 CD-ROM filesystem data”，则可直接输入命令“mount -o loop initrd.img /mnt/test”进行挂载。
通过上的分析和我们的验证，我们确实得到了这样的结论：
grub的stage2将initrd加载到内存里，让后将其中的内容释放到内容中，内核便去执行initrd中的init脚本，这时内核将控制权交给了init文件处理。我们简单浏览一下init脚本的内容，发现它也主要是加载各种存储介质相关的设备驱动程序。当所需的驱动程序加载完后，会创建一个根设备，然后将根文件系统rootfs以只读的方式挂载。这一步结束后，释放未使用的内存，转换到真正的根文件系统上面去，同时运行/sbin/init程序，执行系统的1号进程。此后系统的控制权就全权交给/sbin/init进程了。
l 初始化系统
经过千辛万苦的跋涉，我们终于接近黎明的曙光了。接下来就是最后一步了：初始化系统。/sbin/init进程是系统其他所有进程的父进程，当它接管了系统的控制权先之后，它首先会去读取/etc/inittab文件来执行相应的脚本进行系统初始化，如设置键盘、字体，装载模块，设置网络等。主要包括以下工作：
1)、执行系统初始化脚本(/etc/rc.d/rc.sysinit)，对系统进行基本的配置，以读写方式挂载根文件系统及其它文件系统，到此系统算是基本运行起来了，后面需要进行运行级别的确定及相应服务的启动。rc.sysinit所做的事情(不同的Linux发行版，该文件可能有些差异)如下：
（1）获取网络环境与主机类型。首先会读取网络环境设置文件”/etc/sysconfig/network”，获取主机名称与默认网关等网络环境。
（2）测试与载入内存设备/proc及usb设备/sys。除了/proc外，系统会主动检测是否有usb设备，并主动加载usb驱动，尝试载入usb文件系统。
（3）决定是否启动SELinux。
（4）接口设备的检测与即插即用（pnp）参数的测试。
（5）用户自定义模块的加载。用户可以再”/etc/sysconfig/modules/.modules”加入自定义的模块，此时会加载到系统中。
（6）加载核心的相关设置。按”/etc/sysctl.conf”这个文件的设置值配置功能。
（7）设置系统时间（clock）。
（8）设置终端的控制台的字形。
（9）设置raid及LVM等硬盘功能。
（10）以方式查看检验磁盘文件系统。
（11）进行磁盘配额quota的转换。
（12）重新以读取模式载入系统磁盘。
（13）启动quota功能。
（14）启动系统随机数设备（产生随机数功能）。
（15）清楚启动过程中的临时文件。
（16）将启动信息加载到”/var/log/dmesg”文件中。
当/etc/rc.d/rc.sysinit执行完后，系统就可以顺利工作了，只是还需要启动系统所需要的各种服务，这样主机才可以提供相关的网络和主机功能，因此便会执行下面的脚本。
2)、执行/etc/rc.d/rc脚本。该文件定义了服务启动的顺序是先K后S，而具体的每个运行级别的服务状态是放在/etc/rc.d/rc.d（=0~6）目录下，所有的文件均是指向/etc/init.d下相应文件的符号链接。rc.sysinit通过分析/etc/inittab文件来确定系统的启动级别，然后才去执行/etc/rc.d/rc.d下的文件。
/etc/init.d-> /etc/rc.d/init.d
/etc/rc ->/etc/rc.d/rc
/etc/rc.d ->/etc/rc.d/rc.d
/etc/rc.local-> /etc/rc.d/rc.local
/etc/rc.sysinit-> /etc/rc.d/rc.sysinit
也就是说，/etc目录下的init.d、rc、rc.d、rc.local和rc.sysinit均是指向/etc/rc.d目录下相应文件和文件夹的符号链接。我们以启动级别3为例来简要说明一下。
/etc/rc.d/rc3.d目录，该目录下的内容全部都是以 S 或 K 开头的链接文件，都链接到”/etc/rc.d/init.d”目录下的各种shell脚本。S表示的是启动时需要start的服务内容，K表示关机时需要关闭的服务内容。/etc/rc.d/rc.d中的系统服务会在系统后台启动，如果要对某个运行级别中的服务进行更具体的定制，通过chkconfig命令来操作，或者通过setup、ntsys、system-config-services来进行定制。如果我们需要自己增加启动的内容，可以在init.d目录中增加相关的shell脚本，然后在rc*.d目录中建立链接文件指向该shell脚本。这些shell脚本的启动或结束顺序是由S或K字母后面的数字决定，数字越小的脚本越先执行。例如，/etc/rc.d/rc3.d /S01sysstat就比/etc/rc.d/rc3.d /S99local先执行。
3)、执行用户自定义引导程序/etc/rc.d/rc.local。其实当执行/etc/rc.d/rc3.d/S99local时，它就是在执行/etc/rc.d/rc.local。S99local是指向rc.local的符号链接。就是一般来说，自定义的程序不需要执行上面所说的繁琐的建立shell增加链接文件的步骤，只需要将命令放在rc.local里面就可以了，这个shell脚本就是保留给用户自定义启动内容的。
4)、完成了系统所有的启动任务后，linux会启动终端或X-Window来等待用户登录。tty1,tty2,tty3…这表示在运行等级1，2，3，4的时候，都会执行”/sbin/mingetty”，而且执行了6个，所以linux会有6个纯文本终端，mingetty就是启动终端的命令。
除了这6个之外还会执行”/etc/X11/prefdm-nodaemon”这个主要启动X-Window
至此，系统就启动完毕了。以上分析不到的地方还请各位大虾不吝指正。
关于Linux的其他分析内容下次再继续写。
最后附上一张非常完整的系统启动流程图，适合各个水平阶段的读者。