第 12 讲：从上电复位到内核启动

启动最令人困惑的地方是：加载程序需要已经在运行的程序，但机器刚上电时还没有任何软件环境。解决方法不是“一步启动完成”，而是把一小段必然可执行的代码固化在预定位置，再一级级加载能力更强的程序。

启动链的一张文字图

上电/复位
  ↓ CPU 从架构规定的复位向量取指
固件（MIPS 上的 ROM/U-Boot stage 1，x86 上的 BIOS/UEFI）
  ↓ 建立最小硬件环境，找可启动介质
Bootloader 后续阶段（U-Boot stage 2、GRUB 等）
  ↓ 识别内核映像，装入 RAM，准备参数
架构相关内核入口（head.S 等）
  ↓ 建栈、页表、异常向量，解压/移动内核
架构无关初始化（Linux start_kernel）
  ↓ 初始化内存、调度、中断、驱动、VFS
init/用户空间

每一级只做当时条件允许的事，然后把“可用环境”扩大一点。课件将其称为逐步释放系统灵活性。

Bootloader 的两个任务

Bootloader 一词包含：

  • Booter：把 CPU、时钟、内存控制器、串口等从复位态带到可用态；
  • Loader：找到 OS 内核映像，装入内存，把控制权跳转给内核入口。

它与硬件强相关：即使 CPU 相同，Flash、DRAM 控制器和板级连线不同，也需要移植。U-Boot 通常拆成两阶段：

  1. stage 1 体积小、多用汇编，先建立栈和基本 DRAM 环境；
  2. stage 2 已能运行 C 代码，初始化更多设备，读取环境变量，选内核和启动参数。

MIPS：为什么上电时要用 kseg1

32 位 MIPS 将 4 GiB 虚拟地址空间分区。课件关心的是：

  • kuseg 是用户地址，需要 MMU/TLB 转换；
  • kseg0 是内核直接映射且可缓存的区域；
  • kseg1 也直接映射低端物理地址，但不经 Cache；
  • 其他内核区域需要 TLB 支持。

刚复位时 TLB 和 Cache 尚未配置，因此不能把启动绑定在它们上。MIPS 复位向量落在与 ROM/Flash 对应的 kseg1 地址，CPU 可以立即稳定取指。

MIPS + U-Boot 的接力

  1. 从 Flash 复位入口执行少量汇编；
  2. 初始化 CPU 相关状态、时钟和 DRAM；
  3. 建立栈，进入 board_init_f 等 C 代码；
  4. 初始化 timer、环境变量、串口等；
  5. 规划 RAM，搬迁 U-Boot 自身，建立堆栈；
  6. 把 Linux 内核复制到 RAM，跳到内核入口。

Linux 的架构相关入口 head.S 先完成早期映射、堆栈与异常环境，然后进入 start_kernel。后者才是大量架构无关子系统初始化的起点。

x86 BIOS/MBR 传统链路

1. 复位向量与 BIOS

x86 复位后从架构规定的固件入口取指；课件以 0xFFFF0 为例。BIOS 随后：

  • 执行 POST 硬件自检；
  • 初始化基本设备；
  • 根据启动顺序选硬盘、U 盘或网络；
  • 读取启动介质的首扇区。

BIOS 背负实模式、16 位代码等历史兼容包袱，这正是 UEFI 试图用模块化、C 风格接口和更强可扩展性替代它的原因。

2. MBR 为什么只有 512 B

传统 BIOS 从磁盘首扇区读取 MBR，常见布局是：

区域大小用途
引导代码及数据446 B很小的第一阶段加载器
分区表 DPT64 B4 个 16 B 分区项
结束标志2 B引导扇区签名

空间这么小，根本放不下一个懂文件系统、懂网络、有菜单的完整加载器。因此 GRUB 也要分阶段：MBR 中的 stage 1 只负责找到更强的后续阶段，后者再解析配置和文件系统。

MBR 同时限制了四个主分区。“活动分区”和扩展分区都是这条历史链上的兼容机制，不应当成所有现代 UEFI/GPT 系统都必然遵循的步骤。

3. GRUB 与内核映像

GRUB 后续阶段能够：

  • 提供交互菜单和命令行；
  • 识别文件系统，按路径找内核；
  • 选择多个 OS 或多个内核版本；
  • 准备内核命令行、初始 RAM 文件系统等参数；
  • 把内核映像放到约定内存位置并跳转。

内核映像不是可直接随意跳入的普通用户程序。其引导头、早期设置代码和压缩内核有规定的内存布局与协议。

Linux 接管后的顺序

start_kernel 附近的主线可以理解为：

  1. 先让 CPU 和内核自身的基本数据结构稳定；
  2. 在完整中断子系统准备好前保持中断关闭；
  3. 建立内存管理、调度、定时器和中断框架；
  4. 初始化设备与文件系统；
  5. 建立第一批内核线程，最终启动用户空间 init。

顺序不能乱：驱动申请中断前，中断框架要存在；挂载根文件系统前，存储设备与 VFS 要可用。启动不是一张运行清单，而是一张依赖图的拓扑排序。

遇到启动题怎么判断

先问当前阶段已经有什么能力：

  • 还没有 RAM：代码不能假设有正常栈和堆；
  • 还没有页表/TLB：只能使用架构保证的直接地址；
  • 还没有文件系统：只能按固定块位置或借助更早固件服务读取；
  • 还没有驱动：不能假设通用 I/O 接口已存在。

然后再问它想把哪个下一级加载到哪里、如何验证、最后跳到哪个入口。这比死背 BIOS 的第几步更不容易混。

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