Для загрузки через EFI к ядру Linux добавляется заголовок исполняемого файла в формате PE/COFF, что позволяет использовать EFI для загрузки. Часть ядра, связанная с этим заголовком и кодом, на который передаётся управление называется EFI Stub — заглушка для EFI. Исходный код заглушки для архитектуры x86 находится в файлах arch/x86/boot/header.S и arch/x86/boot/compressed/eboot.c.

В x86 используется bzImage, в arm — zImage в arm64 — неупакованное ядро.

Для загрузки ядра файл bzImage, расположенный в arch/x86/boot/bzImage, необходимо скопировать в системный раздел EFI (ESP) на диске и переименовать с расширением .efi. Без расширения загрузчик EFI откажется его выполнить. Запуск bzImage.efi из файловых систем Linux загрузчиком EFI не поддерживается. Для архитектур arm и arm64 ядро также нужно скопировать в системный раздел, но можно не переименовывать.

Аргументы ядра в командной строке EFI указываются после bzImage.efi, например:

fs0:\Linux> bzImage.efi console=ttyS0 root=/dev/sda4 initrd=\Kernels\initrd-large.img

Параметр initrd= обрабатывается в заглушке, остальные передаются в ядро. Путь к initrd записывается как абсолютный путь от корня ESP. В качестве разделителя каталогов используется обратный слеш.

Для записи строки загрузки Linux в меню EFI можно воспользоваться efibootmgr:

efibootmgr --create \
--disk /dev/sda1 \
--label 'Linux 5.9.1 i915' \ # Строка в меню загрузки
--loader '\EFI\Boot\5.9.1.efi' \ # Образ для загрузки
'initrd=\EFI\gentoo\initramfs.img' \
'root=/dev/sda1 pcie_aspm=off'

GRUB (GRand Unified Boot Loader) – Великий унифицированный загрузчик. Разработан в рамках проекта GNU как образцовая реализация мультизагрузчика, способного загружать различные ОС с различных разделов одного диска или различные версии одной ОС в рамках одного раздела.

В настоящий момент под названием GRUB известны две существенно отличающиеся версии программы. Версия 0.97 – "старый" или "legacy" GRUB – используется в RHEL до версии 6 включительно. В этой статье речь именно о нём. GRUB версии > 1.0 – это почти полностью переписанный вариант программы, используемый в Ubuntu, Fedora и многих других дистрибутивах.

Поскольку в MBR есть только 384 байт для размещения загрузчика – GRUB поделен на две части stage1 и stage2. Размер stage1 равен одному сектору на диске – 512 байт. При этом реально используется только 384, а остальное зарезервировано. Stage2 – довольно крупная программа, содержащая драйверы нескольких ФС, интерпретатор командной строки и несколько вспомогательных функций. Её размер составляет примерно 124 КБ. При инсталляции GRUB компонент stage2 должен быть размещён в последовательных секторах на диске, а адрес первого сектора и количество секторов должны быть прописаны в секторе, содержащем stage1. Если носитель не позволяет разместить stage2 в фиксированных секторах, то применяется промежуточный загрузчик stage1.5, поддерживающий одну конкретную ФС и занимающий менее 16 КБ.

Список ФС, поддерживаемых stage2/1.5 (ls /boot/grub/*1_5)

• e2fs_stage1_5
• fat_stage1_5
• ffs_stage1_5
• iso9660_stage1_5
• jfs_stage1_5
• minix_stage1_5
• reiserfs_stage1_5
• ufs2_stage1_5
• vstafs_stage1_5
• xfs_stage1_5

Иногда хочется сделать в initrd что-то нестандартное, что не предусмотрено стандартным скриптом (mkinitrd, mkinitramfs, dracut и т.п.). В этом случае можно распаковать существующий образ, поправить его руками и снова запаковать. Формат файла - архив cpio сжатый gzip. Единственная тонкость - для cpio надо указывать опцию, задающую внутренний формат архива -H newc

mkdir initrd; cd initrd
gunzip -c /boot/initramfs-2.6.32.158.img | cpio -i --make-directories 
#внесение правок
find . | cpio -o -H newc | gzip > /boot/myinitrd.img

initramfs, как файл, мало отличается от initrd. При создании явно указывается максимальная степень сжатия.

#Упаковка (фрагмент из dracut CentOS 6)
find . |cpio -R root:root -H newc -o --quiet|  $gzip -9 > "$outfile"

В CentOS7 структура файла изменилась. В начало приклеен ещё один маленький несжатый архив cpio "early_initramfs" он же "microcode blob" (необязательный). Программа skipcpio ищет в полученном файле признак конца архива (строку "TRAILER!!!") и выдает хвост. Для сжатия можно использовать различные программы (gzip,bzip2, xz). По умолчанию используется gzip.

#Распаковка:
/usr/lib/dracut/skipcpio /boot/initramfs-3.10.0-957.el7.x86_64.img | zcat | cpio -i  --make-directories 
#Упаковка
find . |cpio -c -o |xz -z -9 -C crc32 -F xz > /boot/myinitrd.img

Иногда возникает ситуация, при которой загрузка Linux невозможна из за неправильно собранного образа диска initrd. Возникает ситуация курицы и яйца: чтобы исправить initrd необходимо загрузить Linux, чтобы загрузить Linux нужен исправленный initrd.

В CentOS и аналогичных системах последовательность действий такова:

Загрузиться с установочного диска в режим восстановления - Rescue mode. Для этого в момент загрузки на приглашение boot: необходимо ввести linux rescue

Если всё пойдёт нормально, то корневой каталог основной системы будет смонтирован в /mnt/sysimage, загрузочный каталог в /mnt/sysimage/boot. Кроме того текущие каталоги /proc, /sys и /dev будут смонтированы в соответствующие подкаталоги /mnt/sysimage. Если это не случится, то придётся проделать эти операции вручную.

Когда все каталоги смонтированы, можно сменить корневой каталог

#если выяснится, что вы что-то забыли смонтировать, то можно выйти по ^D
chroot /mnt/sysimage

и пересобрать initrd

В CentOS 6

#копируем старый файл
cp -p /boot/initramfs-$(uname -r).img /boot/initramfs-$(uname -r).img.bak
#создаём новый
dracut -f 
#если версия ядра в основной системе отличается от версии на установочном диске, указываем её явно
dracut -f /boot/initramfs-2.6.32-358.el6.x86_64.img 2.6.32-358.el6.x86_64

В CentOS 5

#копируем старый файл
cp -p /boot/initrd-$(uname -r).img /boot/initrd-$(uname -r).img.bak
#создаём новый
mkinitrd -f -v /boot/initrd-$(uname -r).img $(uname -r)
#если версия ядра в основной системе отличается от версии на установочном диске, указываем её явно
mkinitrd -f -v /boot/initrd-2.6.18-371.el5.img 2.6.18-371.el5

Перезагрузка

cd /
sync
telinit 6

Полный пример с драйвером i2o_block (SCSI адаптер Adaptec 2010S), который не загружается автоматически. Пример выполняется в CentOS 5, поскольку в стандартном ядре CentOS 6 поддержка этого драйвера отключена.

После загрузки с CD в Rescue mode выдаётся сообщение, что Linux разделы не найдены и их надо монтировать самостоятельно.

#Загружаем драйвер
insmod i2o_block

#Проверяем, что всё сработало
lsmod
....
dmesg
...

#Создаём файлы устройств на основе информации в dmesg
mkdir /dev/i2o
mknod /dev/i2o/hda b 80 0
mknod /dev/i2o/hda1 b 80 1
mknod /dev/i2o/hda2 b 80 2

#Активируем VolumeGroup
lvm vgchange -a y

#Монтируем тома
mkdir /mnt/sysimage
mount /dev/mapper/VolGroup00-LogVol00 /mnt/sysimage
mount /dev/i2o/hda1 /mnt/sysimage/boot

#Монтируем спецкаталоги
mount --bind /proc /mnt/sysimage/proc
mount --bind /dev /mnt/sysimage/dev
mount --bind /sys /mnt/sysimage/sys

Далее по инструкции, только при создании образа диска надо указать программе mkinitrd дополнительную опцию --preload=i2o_block и отключить сервисы readahead, поскольку они приводят к зависанию драйвера i2o_block:

chkconfig early-readahead off
chkconfig later-readahead off

Можно посмотреть видео https://youtu.be/QlLwJhKrMGA.

В прошлый раз мы говорили о том, что происходит при загрузке Linux: вначале стартует загрузчик, он загружает ядро и развертывает временный диск в оперативной памяти, ядро запускает процесс init, init находит настоящий корневой диск, производит такой хитрый переворот - вместо временного виртуального диска на это же самое место в корневой каталог монтируется реальный диск, с этого реального дисков процесс init загружает в себя другой init, который есть на этом реальном диске. После всех этих операций UNIX переходит в состояние обычной работы.

В этой лекции я расскажу, что делает классическая программа init в сочетании со скриптами rc.d в стиле System V (Систем пять). System V - это классическая версия UNIX на которой построены коммерческие UNIX.

Судя по названию, rc.d это некий каталог. Есть такая традиция UNIX - если вся конфигурация чего-либо умещается в один файл, и он называет config, то при разбиении его на отдельные файлы, которые подключаются к основному, создают каталог с аналогичным именем и добавляют к имени .d – config.d. Буква d означает, что это директория и там лежат вспомогательные части конфигурационного файла. У формата конфигурационных файлов программы init есть две традиции: вариант System V, в котором каждая деталь конфигурации держится в отдельном файле в каталоге rc.d, и традиция BSD систем, в которой есть один файл /etc/rc, содержащий много скриптов и переменных, которые отвечают за поведение системы.

В любом случае, при старте системы у нас создается процесс с PID=1, в котором запущена программа, которая называется init. Как вы видели в прошлый раз, если программу init убить, то ядро впадает в панику и прекращает всяческую работу.

Классический System V init читает файл /etc/inittab и выполняет ряд предписаний, которые прописаны в этом файле. Inittab этот текстовый файл каждая строка которого, это, по сути дела, одна команда или какое-то правило поведения. Inittab выглядит так:

id:3:initdefault:

si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3

1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1

ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now

Вначале строки стоит метка. В чем большой смысл этой метки я не очень понимаю. Можно считать, что это простой текст и все. Вторым пунктом стоит либо так называемый уровень загрузки, либо пустое значение. Уровень загрузки — это либо одно число от 0 до 6, либо список чисел через запятую. Дальше идет некое действие. Действия бывают следующие: wait, respawn, sysinit, ctrlaltdel. Есть и другие действия, но это самые используемые. Наконец, в конце строки написана некая команда с именем исполняемого файла и аргументов, которые этой команде надо передать.

Действие sysinit выполняется однократно при старте системы.

Действие ctrlaltdel это на самом деле не совсем действие – это обработчик сочетания клавиш control alt del. Само нажатие перехватывается ядром системы, и информация об этом пересылается в процесс init, который должен выполнить определенную команду. Например, может быть выполнена команда shutdown, которая выполнит выключение компьютера. В принципе сюда можно прописать любую другую программу, например, echo, которая после нажатия control alt del будет выдавать на все терминалы системы какое-нибудь сообщение. камина консолью так

Действие wait означает, что необходимо запустить команду, дождаться пока она закончится и только после этого продолжить обработку следующих строк. Не знаю, могут ли запускаться такие действия в параллель. Скорее всего, нет.

Действие respawn означает, что надо запустить программу и не дожидаясь ее завершения, перейти в дальнейшем действиям. Если эта программа в последующем завершится, то необходимо ее рестартовать.

Итак, есть однократное выполнение с ожиданием результатов и многократное выполнение в асинхронном режиме – запустились, дождались пока закончить, запустили слова.

Уровни загрузки — это некая условность, которая позволяет управлять загружаемыми службами. Ближайший аналог в windows – это загрузка в безопасном режиме, когда грузится только ограниченное число драйверов и стартует минимальное количество служб, загрузка с отладкой, когда каждое действие дополнительно протоколируются и обычная полноценная загрузка.

В Linux по традиции выделяется 6 вариантов загрузки. Это деление довольно условно.

0 и 6 это выключение. 0 - полное выключение электричество, а 6 - режим перезагрузки.

4 в Linux вообще пропущен

Остаются четыре уровня загрузки:

1 - однопользовательский режим. Если передать загрузчику ключевое слово single, то мы окажемся в однопользовательском режиме, где запущен только один процесса и это шелл администратора системы. Этот режим используется для восстановления системы.

3 - нормальный многопользовательский текстовый режим, когда запущены все службы, работает сеть, работают все драйверы.

2 - тоже текстовый режим, но без подключения сетевых дисков. Дело в том, что традиционные сетевая файловая система nfs, которая используется в UNIX, чрезвычайно устойчива к повреждениям сети. Если мы выключили файловый сервер или обрезали сетевой кабель, то сетевая файловая система nfs будет предпринимать многочисленные попытки восстановиться и эти попытки настолько длительны, что я ни разу не смог дождаться времени, когда же наконец появится сообщение об ошибке. Возможно это произойдёт через час, а может и через 6 часов. Всё это время драйвер nfs будет держать компьютер, не давая ничего сделать. Поэтому, если у нас упала сеть или файловый сервер в настройках написано, что при старте необходимо подмонтировать внешние диски, то попытка загрузится в полноценный режим приведёт к тому, что у вас все зависнет. Для этого случая и предусмотрен второй вариант загрузки - все как в третьем, только сетевые диски не подключаются. Сам сетевой адаптер работает, IP адрес назначается, интернет доступен.

5 - то же самое что и 3, но с запуском x window - графического интерфейса.

Можно считать, что между уровнями есть некоторая последовательность переходов:

режим 2 включает себя 1 + многопользовательский режим. 3 включает 2 + монтирование сетевых файловых систем. Наконец, 5 включает в себя 3 + запуск графической подсистемы. Будет ли это реализовано последовательно или нет - это проблема дистрибутива. Вообще говоря, администраторы могут самостоятельно настроить файл inittab так, чтобы эти режимы запускались последовательно, а можно сделать так чтобы все было абсолютно независимо - переключаясь в очередной режим, убираем все что было сделано на предыдущем шаге, и настраиваем все с нуля.

Рассмотрим строки реального файла. Они очень просты.

l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3

Запускается какая-то программа, которая должна выполнить все необходимые действия, которые ожидаются на третьем уровне. Наверно, на третьем уровне нужно настроить сетевые интерфейсы, запустить драйвер терминалов, стартовать какие-то службы. Только после того, как всё этого завершится мы сможем работать в системе. Поскольку надо дождаться завершения запуска, мы выбираем действие wait.

Программа запуска называется rc и запускается с номером уровня в качестве параметра. Сама программа init достаточно простая. Она умеет построчно читать свой файл с простым синтаксисом и стартовать новые процессы, запуская какие-то вспомогательные программы. Вся логика уровней загрузки спрятана в скрипте rc. Запустив rc с параметром 3 мы перейдем на третий уровень, с параметром 5 - на пятый.

Программа rc тоже очень простая. Это скрипт который выполняет все файлы в каталогах, соответствующих уровню загрузки, например, /etc/rc3.d/. В этих каталогах находятся исполняемые файлы, которые принимают один параметр - либо start, либо stop. Если файл запущен с параметром start, то он стартует службу, если с параметром stop, то останавливает её. Например, network start будет настраивать сетевые интерфейсы, а network stop будет переводить интерфейсы в выключенное состояние. Кроме сетевых интерфейсов есть скрипты подключения/отключение сетевых файловых систем, запуска/остановки сервисов и т.д.

Имена файлов в каталогах построенным по определенным правилам. Они начинаются либо с буквы K либо с буквы S, за которыми идет число и имя службы.

Скрипт rc просматриваем содержимого каталога rc3 и выбирает оттуда все файлы которые начинаются с буквы K (kill). Файлы упорядочиваются в порядке возрастания номера и выполняются с параметром stop. Потом те же действия выполняются с файлами на букву S (start), которые запускаются с параметром start. Вот в общем и вся процедура перехода на определенный уровень.

Можно предположить, что в каталоге /etc/rc0.d/ лежат только файлы, начинающиеся на букву K, поскольку при выключении надо все остановить, а в каталоге /etc/rc1.d/ будет один файл на буку S для запуска консоли администратора.

Для простоты программирования есть отдельный каталог /etc/init.d/, в котором лежат те же самые файлы только без буквы цифр в начале имени. На самом деле, файлы в каталогах уровней это просто символические ссылки на основные файлы. Так /etc/rc3.d/S10apache это ссылка на файл /etc/init.d/apache. Буквы и цифры в названии ссылок нужны для того, чтобы скрипт rc вызвал их в нужном порядке и с нужными аргументами.

В системах, которые построены по такому принципу, чтобы стартовать или остановить какую-либо службу в каталоге /etc/init.d/ надо найти файл который, который ей соответствует, и запустить его с параметром start или stop. Чем не нравится запускать службы именно таким способом - явно вызывая скрипты. Дело в том, что в командной строке linux замечательно работает автодополнение. С его помощью очень быстро можно ввести путь до файла запуска.

Чтобы спрятать от пользователя конкретную реализацию поверх системы скриптов и символических ссылок написаны две вспомогательные программы.

Программа chkconfig позволяет манипулировать символическими ссылками на соответствующие скрипты. Чтобы посмотреть, что стартует, а что останавливаться на каждом из уровней можно воспользоваться командой ls и выдать список скриптов в соответствующем каталоге, но проще воспользоваться командой chkconfig –list. Программа chkconfig пробегает по всем каталогам rc и выдает список того что стартует, а что останавливается на каждом уровне. Если мы хотим, чтобы при старте системы у нас что-то автоматически стартовала определенная службу мы выполняем chkconfig <имя службы> on и скрипт создает ссылку для запуска в нужном каталоге и с правильным именем. Запуск chkconfig <имя службы> off приводит к удалению ссылки для запуска и созданию ссылки для остановки. Таким образом программа chkconfig позволяет управлять списком служб, которые стартуют в момент старта системы.

Ещё одна программа - service используется для ручного запуска и остановки служб. Service это обертка, которая позволяет не обращаться напрямую к скрипту, а указать имя службы и сказать хотим мы ее стартовать или остановить. В bash, который я использую, нет автодополнения для команды service, поэтому мне проще набрать путь к скриптам.

В стартовых скриптах аргументы start и stop должны обрабатываться обязательно. Кроме того, можно придумать какие-то свои аргументы, которые будут делать что-то полезное.

В большинстве скриптов реализована опция status, которая показывает запущена служба или нет. Когда мы выполняем start, то скрипт после успешного запуска службы получает ее идентификатор PID и записывать его в определенный файл. По команде stop файл удаляется. Обычно такие файлы создаются в каталоге /var/run/. Команда status проверяет есть ли такой файл. Его нет, то сообщает, что служба не запущена. Если файл есть, то она извлекает из него идентификатор процесса и проверяет текущий список процессов. Если этот идентификатор присутствует все запущено, если программа по каким-то причинам поломалась, то статус выдаёт, что была сделана попытка запустить эту службу - файл существует, но сама служба не запущена.

Опция restart последовательно выполняет внутри скрипта две команды – сначала stop, а потом старт. Это совершенно необязательная команда - просто удобная. Наконец, есть службы, которые позволяет на ходу перечитать какие-то конфигурационные файлы. Для них добавляют команду reload, задачей которой является отправка службе сигнала о том, что конфигурация изменилась. Отдельный случай, команды save и load для сохранения конфигурации брандмауэра.

Если администратор системы вместо остановки или старта отдельных службы хочет всю систему перевести на определенный уровень, то этого можно достичь одним из двух способов. Можно вызвать прямо программу /sbin/init. Если ее вызвать с определенным числом в качестве параметра, то она выполнит все инструкцию из файла inittab, для которых прописывал соответствующий уровень. Если запустить, например, /sbin/init 1, то init найдет в своем конфигурационном файле все строчки, в которых есть уровень 1 и выполнит их. В некоторых системах команда shutdown реализована как /sbin/init 0, поскольку нулевой уровень соответствует остановке системы. В последнее время для перехода между уровнями появилась специальная программа под названием telinit, которая является ссылкой на init. Её задача – переслать процессу init сигнал о том, что администратор желает перейти на определенный уровень. telinit q сообщает init о том, что надо перечитать файл inittab. В старых системах это достигалось посылкой сигнала SIGHUP процессу с PID=1 (kill –HUP 1).

Ещё несколько строк в inittab, это запуск терминалов

1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1

Для того, чтобы обеспечить диалоговую доступ к системе, вы inittabе может присутствовать некоторое количество строчек такого рода. 2345 это уровни, на которых надо запускать команду, respawn означает, что программу надо перезапускать в случае завершения. Программа getty – это программа управления терминалом. Традиционно терминал в UNIX называется телетайпом, поскольку первыми терминалами были электрические пишущие машинка. Соответственно, tty это сокращение от телетайпа. Mingetty – программа, которая умеет работать с виртуальными терминалами на персональном компьютере. Она умеет настраивать драйвер терминала, а в качестве параметров получает имя устройства терминала, который надо настроить. В каталоге /dev/ есть файл устройства tty1, который соответствует первому виртуальному терминалу. Если бы у нас был модем и мы хотели бы инициализировать его момент загрузки, то могли бы вызвать getty с параметром ttyS0, который соответствует порту COM1. При инициализации модема можно было бы задать дополнительные параметры: скорость соединения 19200 бод, 7 или 8 бит в байте, четность, количество стоп-битов.

S0:2345:respawn:/sbin/getty ttyS0 19200 8 n 1

В прошлый раз я рисовал цепочку, в которой процесс вызовом fork делаются свою копию, дочерняя копия вызовом exec загружает в свою память другую программу, а после завершения сообщает об этом родительскому процессу.

Текстовые пользовательские сеансы устроены на таких цепочках: сначала init делает свою копию и запускает в ней программу mingetty. Mingetty инициализирует терминал и клавиатуру, а потом запускает в том же процессе программу login. Login выводит на экран приглашения на ввод имени и пароля и, если все прошло успешно то назначает себе привилегии пользователя и в том же процессе, затирая самого себя, запускает интерпретатор пользователя, например, bash. Когда пользователь набирает команду exit, то интерпретатор завершает жизненный путь этого процесса. Когда процесс завершается, init получает об этом сигнал. Init смотрит, что полагается делать, видит действие respawn, снова запускает программу mingetty, которая заново инициализирует терминал и все повторяется. Таким образом каждый сеанс находится внутри одного процесса. Как только мы вышли из сеанса наш процесс закончился и тотчас же запустилась программа, которая почистит за нами терминал и восстановит все настройки по умолчанию.

В файле inittab есть есть ещё одно специальное ключевое слово initdefault - уровень по умолчанию. Если через ядро init получил параметр single, то мы загрузимся на уровень 1. Если через загрузчик ничего не передали, то используется значение по умолчанию. Если после установки графической оболочки оказалось, что наш компьютер слабоват для графики, то можно установит уровень по умолчанию на 3, и после следующей перезагрузки мы попадаем на третий уровень - то есть в текстовый режим. Установили систему без графического режима, потом доустановили все пакеты для x window, поменяли уровень по умолчанию на 5 и после следующей перезагрузки попали сразу в графический режим.

В этой системе скриптов иногда хочется сделать что-то свое, например, при старте удалить все файлы в каталоге /tmp/. Для этого есть отдельный файл под названием /etc/rc.local, который запускается после всех остальных. Это просто скрипт без параметров, в который можно прописать всё, что угодно. Например, на одном из моих роутеров в момент старта системы в этом файле прописываются таблицы маршрутизации. Мне было лень искать где находятся соответствующие стандартные скрипты из дистрибутива и проще оказалось прописать команды в rc.local.