【操作系统百科】从加电到 PID 1

启动是 OS 最复杂的路径之一——从固件初始化硬件，到 bootloader 加载内核，到内核初始化子系统，到 PID 1 接管用户空间。

一、先看图

flowchart TD
    POWER[加电 / Reset] --> FW[固件<br/>BIOS / UEFI]
    FW --> BL[Bootloader<br/>GRUB / systemd-boot]
    BL --> DECOMP[内核解压<br/>startup_64]
    DECOMP --> START[start_kernel<br/>初始化子系统]
    START --> REST[rest_init<br/>创建 PID 1 和 PID 2]
    REST --> INIT[PID 1<br/>systemd / init]

    classDef fw fill:#f0883e22,stroke:#f0883e,color:#adbac7;
    classDef kern fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef user fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class POWER,FW,BL fw
    class DECOMP,START,REST kern
    class INIT user

二、固件阶段

2.1 BIOS（传统）

POST → 硬件初始化 → 从 MBR 加载 bootloader（512 字节）→ 实模式。

2.2 UEFI（现代）

初始化硬件 → 读 ESP（EFI System Partition）→ 加载 EFI 应用（bootloader 或直接加载内核 EFI stub）。

UEFI 优势：

• GPT 分区支持
• Secure Boot（验证签名）
• 64 位
• 网络启动

三、Bootloader

3.1 GRUB 2

menuentry "Linux" {
    linux /vmlinuz root=/dev/sda2
    initrd /initramfs.img
}

加载内核映像 + initramfs → 传递命令行参数 → 跳转到内核入口。

3.2 systemd-boot

轻量级 UEFI bootloader → 直接从 ESP 加载。

3.3 EFI stub

内核自带 EFI stub → UEFI 可以直接加载 vmlinuz 作为 EFI 应用 → 无需 GRUB。

四、内核早期

4.1 解压

内核映像（bzImage）自解压 → 进入 startup_64（x86）。

4.2 start_kernel

// init/main.c
asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
    // 初始化顺序（简化）：
    setup_arch();           // 架构相关
    mm_init();              // 内存管理
    sched_init();           // 调度器
    init_IRQ();             // 中断
    time_init();            // 时钟
    console_init();         // 控制台
    // ... 更多子系统
    rest_init();            // 创建 PID 1
}

4.3 early printk

earlyprintk=serial → 在正式控制台初始化前就能看到输出 → 调试启动问题。

五、rest_init → PID 1

static noinline void __ref rest_init(void)
{
    pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);   // PID 1
    pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS);      // PID 2
    // PID 0 变成 idle 线程
    cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
}

kernel_init() 最终 exec 用户态的 /sbin/init（或 systemd）。

六、Measured Boot

UEFI + TPM：

1. 固件度量每个启动组件 → hash 写入 TPM PCR
2. bootloader 度量内核和 initramfs
3. 内核度量模块

IMA（Integrity Measurement Architecture）在内核继续度量。

七、ARM 启动

flowchart LR
    BL1[BL1<br/>ROM code] --> BL2[BL2<br/>Trusted firmware]
    BL2 --> BL31[BL31<br/>EL3 runtime]
    BL31 --> BL33[BL33<br/>U-Boot / UEFI]
    BL33 --> KERNEL[Linux kernel<br/>Image]

ARM Trusted Firmware (ATF) → U-Boot → Linux。

设备树（DTB）描述硬件 → bootloader 传给内核。

八、启动时间优化

九、观察

# 启动时间分析
systemd-analyze
systemd-analyze blame
systemd-analyze critical-chain

# 内核启动日志
dmesg | head -50

# UEFI 启动项
efibootmgr -v

十、小结

• 启动：固件 → bootloader → 内核解压 → start_kernel → PID 1
• UEFI + Secure Boot 是现代标准
• EFI stub 可跳过 GRUB
• Measured Boot + TPM 提供启动完整性
• ARM 用 ATF + U-Boot 启动

参考文献

• init/main.c（start_kernel）
• arch/x86/boot/（x86 启动代码）
• Documentation/admin-guide/efi-stub.rst
• Kroah-Hartman, “The Linux kernel boot process.”

工具

• systemd-analyze
• efibootmgr
• dmesg
• bootchart

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