你好，我是 LMOS。

在前面的课程中，我们建好了二级引导器，启动了我们的 Cosmos，并进行了我们 Cosmos 的 Hal 层初始化。

我会用两节课带你领会 Linux 怎样做初始化。虽然我们自己具体实现过了初始化，不过我们也不妨看看 Linux 的初始化流程，借鉴一下 Linux 开发者的玩法。

这节课，我会先为你梳理启动的整体流程，重点为你解读 Linux 上 GRUB 是怎样启动，以及内核里的“实权人物”——vmlinuz 内核文件是如何产生和运转的。下节课，我们从 setup.bin 文件的 _start 函数入手，研究 Linux 初始化流程。

好，接下来我们从全局流程讲起，正式进入今天的学习。

全局流程

x86 平台的启动流程，是非常复杂的。为了帮助你理解，我们先从全局粗略地看一看整体流程，然后一步步细化。

在机器加电后，BIOS 会进行自检，然后由 BIOS 加载引导设备中引导扇区。在安装有 Linux 操作系统的情况下，在引导扇区里，通常是安装的 GRUB 的一小段程序（安装 windows 的情况则不同）。最后，GRUB 会加载 Linux 的内核映像 vmlinuz，如下图所示。

x86 的全局启动流程示意图

上图中的引导设备通常是机器中的硬盘，但也可以是 U 盘或者光盘甚至是软盘。BIOS 会自动读取保存在 CMOS 中的引导设备信息。

从 BIOS 到 GRUB

从前面的课程我们已经知道，CPU 被设计成只能运行内存中的程序，没有办法直接运行储存在硬盘或者 U 盘中的操作系统程序。

如果想要运行硬盘或者 U 盘中的程序，就必须要先加载到内存（RAM）中才能运行。这是因为硬盘、U 盘（外部储存器）并不和 CPU 直接相连，它们的访问机制和寻址方式与内存截然不同。

内存在断电后就没法保存数据了，那 BIOS 又是如何启动的呢？硬件工程师设计 CPU 时，硬性地规定在加电的瞬间，强制将 CS 寄存器的值设置为 0XF000，IP 寄存器的值设置为 0XFFF0。

这样一来，CS:IP 就指向了 0XFFFF0 这个物理地址。在这个物理地址上连接了主板上的一块小的 ROM 芯片。这种芯片的访问机制和寻址方式和内存一样，只是它在断电时不会丢失数据，在常规下也不能往这里写入数据，它是一种只读内存，BIOS 程序就被固化在该 ROM 芯片里。

现在，CS:IP 指向了 0XFFFF0 这个位置，正是 BIOS 程序的入口地址。这意味着 BIOS 正式开始启动。

BIOS 一开始会初始化 CPU，接着检查并初始化内存，然后将自己的一部分复制到内存，最后跳转到内存中运行。BIOS 的下一步就是枚举本地设备进行初始化，并进行相关的检查，检查硬件是否损坏，这期间 BIOS 会调用其它设备上的固件程序，如显卡、网卡等设备上的固件程序。

当设备初始化和检查步骤完成之后，BIOS 会在内存中建立中断表和中断服务程序，这是启动 Linux 至关重要的工作，因为 Linux 会用到它们。

具体是怎么操作的呢？BIOS 会从内存地址（0x00000）开始用 1KB 的内存空间（0x00000~0x003FF）构建中断表，在紧接着中断表的位置，用 256KB 的内存空间构建 BIOS 数据区（0x00400~0x004FF），并在 0x0e05b 的地址加载了 8KB 大小的与中断表对应的中断服务程序。

中断表中有 256 个条目，每个条目占用 4 个字节，其中两个字节是 CS 寄存器的值，两个字节是 IP 寄存器的值。每个条目都指向一个具体的中断服务程序。

为了启动外部储存器中的程序，BIOS 会搜索可引导的设备，搜索的顺序是由 CMOS 中的设置信息决定的（这也是我们平时讲的，所谓的在 BIOS 中设置的启动设备顺序）。一个是软驱，一个是光驱，一个是硬盘上，还可以是网络上的设备甚至是一个 usb 接口的 U 盘，都可以作为一个启动设备。

当然，Linux 通常是从硬盘中启动的。硬盘上的第 1 个扇区（每个扇区 512 字节空间），被称为 MBR（主启动记录），其中包含有基本的 GRUB 启动程序和分区表，安装 GRUB 时会自动写入到这个扇区，当 MBR 被 BIOS 装载到 0x7c00 地址开始的内存空间中后，BIOS 就会将控制权转交给了 MBR。在当前的情况下，其实是交给了 GRUB。

到这里，BIOS 到 GRUB 的过程结束。

GRUB 是如何启动的

根据前面内容可以发现，BIOS 只会加载硬盘上的第 1 个扇区。不过这个扇区仅有 512 字节，这 512 字节中还有 64 字节的分区表加 2 字节的启动标志，很显然，剩下 446 字节的空间，是装不下 GRUB 这种大型通用引导器的。

于是，GRUB 的加载分成了多个步骤，同时 GRUB 也分成了多个文件，其中有两个重要的文件 boot.img 和 core.img，如下所示：

GRUB 核心文件

其中，boot.img 被 GRUB 的安装程序写入到硬盘的 MBR 中，同时在 boot.img 文件中的一个位置写入 core.img 文件占用的第一个扇区的扇区号。

而 core.img 文件是由 GRUB 安装程序根据安装时环境信息，用其它 GRUB 的模块文件动态生成。如下图所示：

GRUB-coreimg 格式

如果是从硬盘启动的话，core.img 中的第一个扇区的内容就是 diskboot.img 文件。diskboot.img 文件的作用是，读取 core.img 中剩余的部分到内存中。

由于这时 diskboot.img 文件还不识别文件系统，所以我们将 core.img 文件的全部位置，都用文件块列表的方式保存到 diskboot.img 文件中。这样就能确保 diskboot.img 文件找到 core.img 文件的剩余内容，最后将控制权交给 kernel.img 文件。

因为这时 core.img 文件中嵌入了足够多的功能模块，所以可以保证 GRUB 识别出硬盘分区上文件系统，能够访问 /boot/grub 目录，并且可以加载相关的配置文件和功能模块，来实现相关的功能，例如加载启动菜单、加载目标操作系统等。

正因为 GRUB2 大量使用了动态加载功能模块，这使得 core.img 文件的体积变得足够小。而 GRUB 的 core.img 文件一旦开始工作，就可以加载 Linux 系统的 vmlinuz 内核文件了。

详解 vmlinuz 文件结构

我们在 /boot 目录下会发现 vmlinuz 文件，这个文件是怎么来的呢？

其实它是由 Linux 编译生成的 bzImage 文件复制而来的，你自己可以下载最新的 Linux 代码.

我们一致把 Linux 源码解压到一个 linux 目录中，也就是说我们后面查找 Linux 源代码文件总是从 linux 目录开始的，切换到代码目录执行 make ARCH=x86_64，再执行 make install，就会产生 vmlinuz 文件，你可以参考后面的 makefile 代码。

#linux/arch/x86/boot/Makefile
install: sh $(srctree)/$(src)/install.sh $(KERNELRELEASE) $(obj)/bzImage \ System.map “$(INSTALL_PATH)”

install.sh 脚本文件只是完成复制的功能，所以我们只要搞懂了 bzImage 文件结构，就等同于理解了 vmlinuz 文件结构。

那么 bzImage 文件又是怎么来的呢？我们只要研究 bzImage 文件在 Makefile 中的生成规则，就会恍然大悟，代码如下：

#linux/arch/x86/boot/Makefile
$(obj)/bzImage: $(obj)/setup.bin $(obj)/vmlinux.bin $(obj)/tools/build FORCE $(call if_changed,image) @$(kecho) ‘Kernel: $@ is ready’ ’ (#’cat .version’)’

从前面的代码可以知道，生成 bzImage 文件需要三个依赖文件：setup.bin、vmlinux.bin，linux/arch/x86/boot/tools 目录下的 build。让我们挨个来分析一下。

其实，build 只是一个 HOSTOS（正在使用的 Linux）下的应用程序，它的作用就是将 setup.bin、vmlinux.bin 两个文件拼接成一个 bzImage 文件，如下图所示：

bzImage 文件结构示意图

剩下的就是搞清楚 setup.bin、vmlinux.bin 这两个文件的的结构，先来看看 setup.bin 文件，setup.bin 文件是由 objcopy 命令根据 setup.elf 生成的。

setup.elf 文件又怎么生成的呢？我们结合后面的代码来看看。

#这些目标文件正是由/arch/x86/boot/目录下对应的程序源代码文件编译产生
setup-y += a20.o bioscall.o cmdline.o copy.o cpu.o cpuflags.o cpucheck.o
setup-y += early_serial_console.o edd.o header.o main.o memory.o
setup-y += pm.o pmjump.o printf.o regs.o string.o tty.o video.o
setup-y += video-mode.o version.o

#……
SETUP_OBJS = $(addprefix $(obj)/,$(setup-y))
#……
LDFLAGS_setup.elf := -m elf_i386 -T$(obj)/setup.elf: $(src)/setup.ld $(SETUP_OBJS) FORCE $(call if_changed,ld)
#……
OBJCOPYFLAGS_setup.bin := -O binary$(obj)/setup.bin: $(obj)/setup.elf FORCE $(call if_changed,objcopy)

根据这段代码，不难发现 setup.bin 文件正是由 /arch/x86/boot/ 目录下一系列对应的程序源代码文件编译链接产生，其中的 head.S 文件和 main.c 文件格外重要，别急，这个我之后会讲。

下面我们先看看 vmlinux.bin 是怎么产生的，构建 vmlinux.bin 的规则依然在 linux/arch/x86/boot/ 目录下的 Makefile 文件中，如下所示：

#linux/arch/x86/boot/Makefile
OBJCOPYFLAGS_vmlinux.bin := -O binary -R .note -R .comment -S$(obj)/vmlinux.bin: $(obj)/compressed/vmlinux FORCE $(call if_changed,objcopy)

这段代码的意思是，vmlinux.bin 文件依赖于 linux/arch/x86/boot/compressed/ 目录下的 vmlinux 目标，下面让我们切换到 linux/arch/x86/boot/compressed/ 目录下继续追踪。打开该目录下的 Makefile，会看到如下代码。

#linux/arch/x86/boot/compressed/Makefile
#……
#这些目标文件正是由/arch/x86/boot/compressed/目录下对应的程序源代码文件编译产生$(BITS) 取值 32 或者 64
vmlinux-objs-y := $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/kernel_info.o $(obj)/head_$(BITS).o \ $(obj)/misc.o $(obj)/string.o $(obj)/cmdline.o $(obj)/error.o \ $(obj)/piggy.o $(obj)/cpuflags.o
vmlinux-objs-$(CONFIG_EARLY_PRINTK) += $(obj)/early_serial_console.o
vmlinux-objs-$(CONFIG_RANDOMIZE_BASE) += $(obj)/kaslr.o
ifdef CONFIG_X86_64
vmlinux-objs-y += $(obj)/ident_map_64.o
vmlinux-objs-y += $(obj)/idt_64.o $(obj)/idt_handlers_64.o vmlinux-objs-y += $(obj)/mem_encrypt.o
vmlinux-objs-y += $(obj)/pgtable_64.o
vmlinux-objs-$(CONFIG_AMD_MEM_ENCRYPT) += $(obj)/sev-es.o
endif
#……
$(obj)/vmlinux: $(vmlinux-objs-y) $(efi-obj-y) FORCE
$(call if_changed,ld)

结合这段代码我们发现，linux/arch/x86/boot/compressed 目录下的 vmlinux 是由该目录下的 head_32.o 或者 head_64.o、cpuflags.o、error.o、kernel.o、misc.o、string.o、cmdline.o、early_serial_console.o 等文件以及 piggy.o 链接而成的。

其中，vmlinux.lds 是链接脚本文件。在没做任何编译动作前，前面依赖列表中任何一个目标文件的源文件（除了 piggy.o 源码），我们几乎都可以在 Linux 内核源码里找到。

比如说，head_64.o 对应源文件 head_64.S、string.o 对应源文件 string.c、misc.o 对应源文件 misc.c 等。

那么问题来了，为啥找不到 piggy.o 对应的源文件，比如 piggy.c、piggy.S 或其他文件呢？你需要在 Makefile 文件仔细观察一下，才能发现有个创建文件 piggy.S 的规则，代码如下所示：

#linux/arch/x86/boot/compressed/Makefile
#……
quiet_cmd_mkpiggy = MKPIGGY $@
cmd_mkpiggy = $(obj)/mkpiggy $< > $@

targets += piggy.S
$(obj)/piggy.S: $(obj)/vmlinux.bin.$(suffix-y) $(obj)/mkpiggy FORCE $(call if_changed,mkpiggy)

看到上面的规则，我们豁然开朗，原来 piggy.o 是由 piggy.S 汇编代码生成而来，而 piggy.S 是编译 Linux 内核时由 mkpiggy 工作（HOST OS 下的应用程序）动态创建的，这就是我们找不到它的原因。

piggy.S 的第一个依赖文件 vmlinux.bin.$(suffix-y) 中的 suffix-y，它表示内核压缩方式对应的后缀。

#linux/arch/x86/boot/compressed/Makefile
#……
vmlinux.bin.all-y := $(obj)/vmlinux.bin
vmlinux.bin.all-$(CONFIG_X86_NEED_RELOCS) += $(obj)/vmlinux.relocs
$(obj)/vmlinux.bin.gz: $(vmlinux.bin.all-y) FORCE
$(call if_changed,gzip)
$(obj)/vmlinux.bin.bz2: $(vmlinux.bin.all-y) FORCE
$(call if_changed,bzip2)
$(obj)/vmlinux.bin.lzma: $(vmlinux.bin.all-y) FORCE
$(call if_changed,lzma)
$(obj)/vmlinux.bin.xz: $(vmlinux.bin.all-y) FORCE
$(call if_changed,xzkern)
$(obj)/vmlinux.bin.lzo: $(vmlinux.bin.all-y) FORCE
$(call if_changed,lzo)
$(obj)/vmlinux.bin.lz4: $(vmlinux.bin.all-y) FORCE
$(call if_changed,lz4)
$(obj)/vmlinux.bin.zst: $(vmlinux.bin.all-y) FORCE
$(call if_changed,zstd22)
suffix-$(CONFIG_KERNEL_GZIP) := gz
suffix-$(CONFIG_KERNEL_BZIP2) := bz2
suffix-$(CONFIG_KERNEL_LZMA) := lzma
suffix-$(CONFIG_KERNEL_XZ) := xz
suffix-$(CONFIG_KERNEL_LZO) := lzo
suffix-$(CONFIG_KERNEL_LZ4) := lz4
suffix-$(CONFIG_KERNEL_ZSTD) := zst

由前面内容可以发现，Linux 内核可以被压缩成多种格式。虽然现在我们依然没有搞清楚 vmlinux.bin 文件是怎么来的，但是我们可以发现，linux/arch/x86/boot/compressed 目录下的 Makefile 文件中，有下面这样的代码。

#linux/arch/x86/boot/compressed/Makefile
#……
OBJCOPYFLAGS_vmlinux.bin := -R .comment -S
$(obj)/vmlinux.bin: vmlinux FORCE
$(call if_changed,objcopy)

也就是说，arch/x86/boot/compressed 目录下的 vmlinux.bin，它是由 objcopy 工具通过 vmlinux 目标生成。而 vmlinux 目标没有任何修饰前缀和依赖的目标，这说明它就是最顶层目录下的一个 vmlinux 文件。

我们继续深究一步就会发现，objcopy 工具在处理过程中只是删除了 vmlinux 文件中“.comment”段，以及符号表和重定位表（通过参数 -S 指定），而 vmlinux 文件的格式依然是 ELF 格式的，如果不需要使用 ELF 格式的内核，这里添加“-O binary”选项就可以了。

我们现在来梳理一下，vmlinux 文件是如何创建的。

其实，vmlinux 文件就是编译整个 Linux 内核源代码文件生成的，Linux 的代码分布在各个代码目录下，这些目录之下又存在目录，Linux 的 kbuild（内核编译）系统，会递归进入到每个目录，由该目录下的 Makefile 决定要编译哪些文件。

在编译完具体文件之后，就会在该目录下，把已经编译了的文件链接成一个该目录下的 built-in.o 文件，这个 built-in.o 文件也会与上层目录的 built-in.o 文件链接在一起。

再然后，层层目录返回到顶层目录，所有的 built-in.o 文件会链接生成一个 vmlinux 文件，这个 vmlinux 文件会通过前面的方法转换成 vmlinux.bin 文件。但是请注意，vmlinux.bin 文件它依然是 ELF 格式的文件。

最后，工具软件会压缩成 vmlinux.bin.gz 文件，这里我们以 gzip 方式压缩。

让我们再次回到 mkpiggy 命令，其中 mkpiggy 是内核自带的一个工具程序，它把输出方式重定向到文件，从而产生 piggy.S 汇编文件，源码如下：

int main(int argc, char *argv[]){
uint32_t olen;
long ilen;
FILE *f = NULL;
int retval = 1;
f = fopen(argv[1], “r”);
if (!f) {
perror(argv[1]);
goto bail;
}
//……为节约篇幅略去部分代码
printf(".section ".rodata..compressed","a",@progbits\n");
printf(".globl z_input_len\n");
printf(“z_input_len = %lu\n”, ilen);
printf(".globl z_output_len\n");
printf(“z_output_len = %lu\n”, (unsigned long)olen);
printf(".globl input_data, input_data_end\n");
printf(“input_data:\n”);
printf(".incbin "%s"\n", argv[1]);
printf(“input_data_end:\n”);
printf(".section ".rodata","a",@progbits\n");
printf(".globl input_len\n");
printf(“input_len:\n\t.long %lu\n”, ilen);
printf(".globl output_len\n");
printf(“output_len:\n\t.long %lu\n”, (unsigned long)olen);
retval = 0;
bail:
if (f)
fclose(f);
return retval;
}
//由上 mkpiggy 程序“写的”一个汇编程序 piggy.S。
.section “.rodata..compressed”,“a”,@progbits
.globl z_input_len
z_input_len = 1921557
.globl z_output_len
z_output_len = 3421472
.globl input_data,input_data_end
.incbin “arch/x86/boot/compressed/vmlinux.bin.gz”
input_data_end:
.section “.rodata”,“a”,@progbits
.globl input_len
input_len:4421472
.globl output_len
output_len:4424772

根据上述代码不难发现，这个 piggy.S 非常简单，使用汇编指令 incbin 将压缩的 vmlinux.bin.gz 毫无修改地包含进来。

除了包含了压缩的 vmlinux.bin.gz 内核映像文件外，piggy.S 中还定义了解压 vmlinux.bin.gz 时需要的各种信息，包括压缩内核映像的长度、解压后的长度等信息。

这些信息和 vmlinux.bin.gz 文件，它们一起生成了 piggy.o 文件，然后 piggy.o 文件和 $ (vmlinux-objs-y) $ (efi-obj-y) 中的目标文件一起链接生成，最终生成了 linux/arch/x86/boot/compressed 目录下的 vmlinux。

说到这里，你是不是感觉，这和 Linux 的启动流程无关呢？有这种想法就大错特错了，要想搞明白 Linux 的启动流程，首先得搞懂它 vmlinuz 的文件结构。有了这些基础，才能知其然同时知其所以然。

重点回顾

又到了课程尾声，这节课的学习我们就告一段落了，我来给你做个总结。

今天我们首先从全局梳理了一遍 x86 平台的启动流程，掌握了 BIOS 加载 GRUB 的过程，又一起学习了 BIOS 是如何启动的，它又是如何加载引导设备的。

接着我们研究了 GRUB 的启动流程，BIOS 加载了 GRUB 的第一个部分，这一部分加载了 GRUB 的其余部分。

最后，我们详细了解了 Linux 内核的启动文件 vmlinuz 的结构，搞清楚了它的生成过程。

思考题

请问，为什么要用 C 代码 mkpiggy 程序生成 piggy.S 文件，并包含 vmlinux.bin.gz 文件呢？

欢迎你在留言区记录你的收获和疑问，也欢迎你把这节课分享给有需要的朋友，跟他一起学习进步。

好，我是 LMOS，我们下节课见！