深入剖析FreeBSD的启动过程

启动计算机并加载操作系统的过程，通常被称为“bootstrap process”，或简称为“booting” 。FreeBSD的启动过程极具灵活性，能很好地适应各种实际变化，不仅允许用户选择启动同一计算机上安装的不同操作系统，还能选择同一操作系统的不同版本。本文将详细描述其中可能涉及的配置选项，以及如何定制FreeBSD的启动过程，内容涵盖内核启动前的各项事宜，包括设备探测、init启动等。在系统启动时，当屏幕文本颜色由白变灰，若不太确定启动情况，便能看到系统的检测信息。

一、启动过程的基本概念

打开计算机并启动操作系统，看似简单，实则蕴含一个有趣的两难问题。从定义上讲，计算机在操作系统启动前，并不具备执行任务的能力，包括从磁盘运行程序。那么，操作系统究竟是如何启动的呢？这就如同《The Adventures of Baron Munchausen》中描述的场景：一个人沿着检修孔往下爬，然后通过抓住自己的解靴带（bootstrap）又爬了上来。在计算机发展早期，“bootstrap”这一术语被用于描述加载操作系统的机制，后来简称为“booting” 。

在x86系统中，加载操作系统的重任主要由基本输入输出系统（BIOS）承担。BIOS首先会检查磁盘的主引导记录（MBR），MBR位于磁盘的特定位置。BIOS加载并运行MBR，而MBR除了加载操作系统外，还能执行其他任务。

若计算机仅安装了一个操作系统，标准的MBR便能发挥作用。它会搜索磁盘上的第一个启动slice，然后在该slice上运行代码，以加载引导操作系统的其余部分程序。

倘若磁盘上安装了多个操作系统，就可以安装不同的MBR。这种MBR能够显示不同操作系统的列表，允许用户选择要启动的系统。FreeBSD就采用了这样的MBR，当然，其他操作系统也会提供各自的MBR。

二、FreeBSD的启动阶段

FreeBSD的bootstrap系统可分为三个阶段：

第一阶段：运行MBR，此阶段MBR的作用是将计算机带入特定状态。
第二阶段：执行的程序相比第一阶段有所增加。
第三阶段：完成操作系统的加载任务。

之所以将这一过程划分为三个阶段，是因为PC的标准对程序大小有限制。通过这种分阶段的方式，FreeBSD得以提供一个较为灵活的加载程序。

内核启动后，会对设备进行探测和初始化。一旦内核启动完成，就会将控制权交给用户处理进程init。init负责确定磁盘是否可用，接着启动用户级资源配置，加载文件系统，设置网卡以激活网络，最后启动所有在FreeBSD运行时通常会启动的进程。

三、FreeBSD启动过程中的关键组件

MBR与/boot/boot0：FreeBSD的MBR驻留在/boot/boot0上，不过这只是一个拷贝，真正的MBR必须放置在磁盘的特定部分，且位于FreeBSD区域之外。boot0十分简单，主引导区的程序仅有512字节。若已安装FreeBSD的MBR，且计算机上还安装了多个操作系统，启动时将会看到如下熟悉的画面：
```
F1 DOS
F2 FreeBSD
F3 Linux
F4??
F5 Drive 1
Default: F2
```
其他操作系统，如Windows，可能会用自身的MBR覆盖已有的MBR。若遇到这种情况，或者想要替换为FreeBSD的MBR，可使用以下命令：
```
fdisk -B -b /boot/boot0 device  
```
其中，device指的是用于启动的设备，例如第一个IDE磁盘ad0、第二个IDE控制器上的第一个磁盘ad2、第一个SCSI磁盘da0等。
/boot/boot1与/boot/boot2：这两个文件是位于磁盘同一区域的同一个程序的两个部分。由于磁盘空间的限制，它们被分割开来，但安装时必须放在一起。它们位于启动slice的启动扇区，/boot目录中的文件只是真实文件的副本，真实文件存储在FreeBSD文件系统之外。
- boot1同样简单，可能只有512字节。当FreeBSD存储的磁盘分区信息的磁盘标签（Disklabel）清晰可辨时，找到它后便可执行boot2。
- boot2相对复杂一些，它记录着FreeBSD的文件系统，便于在其上查找文件，同时还提供了一个简单的接口，用于选择要运行的内核或引导程序。Loader更为复杂，它提供了易于使用的启动配置信息，通常在boot2之后运行，但以前它可以直接运行内核。boot2画面类似如下：
```
>> FreeBSD/i386 BOOT  
Default: 0:ad(0,a)/kernel  
boot:  
```
若需要替换已安装的boot1和boot2，可使用disklabel命令：
```
disklabel -B diskslice  
```
这里的diskslice是启动系统的磁盘和slice的位置，比如ad0s1，表示第一个IDE磁盘的第一个slice。需要注意的是，如果在disklabel命令中仅使用磁盘名称，如ad0，将会创建一个危险的磁盘，因为没有指定slice。所以在按下RETURN键之前，务必反复检查disklabel命令。
/boot/loader：引导程序loader是启动过程三步中的最后一步，位于文件系统的/boot/loader。Loader使用一套易于使用的内建命令集进行友好配置，同时还具备一套复杂的命令集，通过强大的接口进行备份。
- Loader的执行过程：在初始化过程中，loader会探测到控制台和一些磁盘，并确定从哪个磁盘启动。之后，它会设置为可变化状态，解释程序开始启动，命令也会被解释执行。默认情况下，启动程序会停顿10秒钟（期间可按任意键继续），然后启动内核。若进程被打断，用户可使用命令调整参数、卸载或装载模块，最后进入系统或重新启动。若想深入了解技术细节，可阅读loader的联机手册。
- Loader内建命令：
  - autoboot seconds：在规定时间内若未被打断，将继续启动内核，默认倒计时时间为10秒钟。
  - boot [-options] [kernelname]：直接配合给定参数启动内核。
  - boot - conf：在启动时，使用自动的变量配置模块，此命令仅在先用unload时才有意义，且通常用于改变一些变量，如kernel。
  - help [topic]：显示来自/boot/loader.help的求助信息，若给定的主题(topic)是索引（index），则会显示所有主题列表。
  - include filename...：执行给定文件，该文件将被逐行读入并执行，一旦出现错误，include命令将直接停止。
  - load [-t type] filename：加载kernel、kernel模块或原先指定的文件类型，后跟文件名。文件后的任何参数都将传递给该文件执行。
  - ls [-l] [path]：列出给定路径中的文件。若未指定路径，将显示root目录的文件列表。若带有-l参数，将同时显示文件大小。
  - lsdev [-v]：列出所有可加载模块的设备，若指定-v参数，将列出更详细的信息。
  - lsmod [-v]：显示已加载的模块，若指定-v参数，将一并列出更详细的信息。
  - more filename：在显示的每一行添加终止符，显示指定文件的内容。
  - reboot：直接重新启动系统。
  - set variable, set variable = value：设置loader的环境变量。
  - unload：卸载所有已加载的模块。
- Loader举例：
  - 在单用户模式下启动普通内核：boot -s
  - 卸载普通内核和模块，然后引导旧（或另一个）内核：
```
unload  
load kernel.old  
```

这里可以使用kernel.GENERIC，即安装光盘上的通用kernel，也可以使用kernel.old。

    - 按照以下步骤，配合原先的模块加载其他的kernel：

unload  
set kernel = “kernel.old”  
boot - conf

    - 加载内核配置的脚本文件（这是一个自动脚本文件，用于执行在kernel启动阶段所需执行的命令）：

load -t userconfig_script  
/boot/kernel.conf

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