Linux系统开机启动过程详解

摘要：操作系统的启动过程差别不大，Window和Linux的启动都需要【通电】-【自检】-【登录】几个步骤。对Linux系统而言，更详细的启动流程为：通电-->BIOS-->主引导记录（MBR）-->grub引导-->加载内核-->init进程-->读取/etc/inittab（运行级别）-->/etc/init.d-->用户登录-->Login shell。

本文主要介绍Linux系统启动流程中涉及的几个阶段的相关介绍，详细内容请参考下文。

一、基于BIOS启动

1、BIOS自检阶段

说明：BIOS是Basic Input/Output System 的缩写，意思是基本输入/输出系统，BIOS是电脑开机后必须调用的程序，检测程序都由BIOS提供，BIOS更是配件之间的一个数据交换和协调中心。BIOS的作用是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。BIOS是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序，可从CMOS中读写系统设置的具体信息。

（1）、硬件自检

BIOS中主要存放的程序包括：自诊断程序（通过读取CMOS RAM中的内容识别硬件配置，并对其进行自检和初始化）、CMOS设置程序（引导过程中，通过特殊热键启动，进行设置后，存入CMOS RAM中）、系统自动装载程序（在系统自检成功后，将磁盘相对0道0扇区上的引导程序装入内存使其运行）和主要I/O驱动程序和中断服务（BIOS和硬件直接打交道，需要加载I/O驱动程序）。

BIOS程序首先检查，计算机硬件能否满足运行的基本条件，这叫做”硬件自检”（Power-On Self-Test），缩写为POST。

如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动中止。如果没有问题，屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。

（2）、启动顺序

硬件自检完成后，BIOS把控制权转交给下一阶段的启动程序。

这时，BIOS需要知道，“下一阶段的启动程序”具体存放在哪一个设备。也就是说，BIOS需要有一个外部储存设备的排序，排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。这种排序叫做”启动顺序”（Boot Sequence）。

打开BIOS的操作界面，里面有一项就是“设定系统启动顺序”。

2、引导记录

说明：BIOS按照”启动顺序”，把控制权转交给排在第一位的储存设备。即根据用户指定的引导顺序从软盘、硬盘或是可移动设备中读取启动设备的MBR，并放入指定的位置（0x7c000）内存中。

这时，计算机读取该设备的第一个扇区，也就是读取最前面的512个字节。如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动，控制权于是被转交给”启动顺序”中的下一个设备。

这最前面的512个字节，就叫做“主引导记录”（英文为Master boot record，缩写为MBR）。

（1）、主引导记录的结构

“主引导记录”只有512个字节，放不了太多东西。它的主要作用是，告诉计算机到硬盘的哪一个位置去找操作系统。

主引导记录由三个部分组成

• 第1-446字节：调用操作系统的机器码。
• 第447-510字节：分区表（Partition table）。
• 第511-512字节：主引导记录签名（0x55和0xAA）。

其中，第二部分”分区表”的作用，是将硬盘分成若干个区。

（2）、分区表

说明：对磁盘进行分区有很多好处。考虑到每个区可以安装不同的操作系统，“主引导记录”必须知道将控制权转交给哪个区。

分区表的长度只有64个字节，里面又分成四项，每项16个字节。所以，一个硬盘最多只能分四个“主分区”。

每个主分区的16个字节，由6个部分组成：

第1个字节：如果为0x80，就表示该主分区是激活分区，控制权要转交给这个分区。四个主分区里面只能有一个是激活的。

第2-4个字节：主分区第一个扇区的物理位置（柱面、扇区号等等）。

第5个字节：主分区类型。

第6-8个字节：主分区最后一个扇区的物理位置。

第9-12字节：该主分区第一个扇区的逻辑地址。

第13-16字节：主分区的扇区总数。

最后的四个字节（”主分区的扇区总数”），决定了这个主分区的长度。也就是说，一个主分区的扇区总数最多不超过2的32次方。

如果每个扇区为512个字节，就意味着单个分区最大不超过2TB。再考虑到扇区的逻辑地址也是32位，所以单个硬盘可利用的空间最大也不超过2TB。如果想使用更大的硬盘，只有2个方法：一是提高每个扇区的字节数，二是增加扇区总数。

3、启动磁盘

说明：等完成磁盘引导记录的操作后，计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区了。

（1）、卷引导记录

上面提到，磁盘的四个主分区里面，只有一个是激活的。计算机会读取激活分区的第一个扇区，叫做“卷引导记录”（Volume boot record，缩写为VBR）。

“卷引导记录”的主要作用是，告诉计算机，操作系统在这个分区里的位置。然后，计算机就会自动加载这里的操作系统文件。

（2）、扩展分区和逻辑分区

随着硬盘越来越大，四个主分区已经不够了，需要更多的分区。但是，分区表只有四项，因此规定有且仅有一个区可以被定义成“扩展分区”（Extended partition）。所谓”扩展分区”，就是指这个区里面又分成多个区。这种分区里面的分区，就叫做“逻辑分区”（logical partition）。

计算机先读取扩展分区的第一个扇区，叫做“扩展引导记录”（Extended boot record，缩写为EBR）。它里面也包含一张64字节的分区表，但是最多只有两项（也就是两个逻辑分区）。

计算机接着读取第二个逻辑分区的第一个扇区，再从里面的分区表中找到第三个逻辑分区的位置，以此类推，直到某个逻辑分区的分区表只包含它自身为止（即只有一个分区项）。因此，扩展分区可以包含无数个逻辑分区。

但是，似乎很少通过这种方式启动操作系统。如果操作系统确实安装在扩展分区，一般采用下一种方式启动。

（3）、启动管理器

说明：Linux环境中，目前最流行的启动管理器是Grub。

在使用启动管理器的情况下，计算机读取“主引导记录”前面446字节的机器码之后，不再把控制权转交给某一个分区，而是运行事先安装的“启动管理器”（boot loader），然后选择启动哪一个操作系统。

4、启动操作系统

说明：在完成引导记录和磁盘启动分区的读取后，计算机将控制权转交给操作系统，操作系统的内核首先被载入内存。

以Linux系统为例，先载入/boot目录下面的kernel。内核加载成功后，第一个运行的程序是/sbin/init。它根据配置文件产生init进程。这是Linux启动后的第一个进程，pid进程编号为1，其他进程都是它的后代。

然后，init线程加载系统的各个模块，比如窗口程序和网络程序，直至执行/bin/login程序，跳出登录界面，等待用户输入用户名和密码。至此，完成Linux系统的启动过程。

二、基于UEFI启动

说明：提到UEFI启动，一般都会想到GPT，这里的GPT即GUID Partition Table，中文的意思是“全局唯一标识分区表”，是一个实体磁盘的分区表的结构布局的标准。而UEFI的全称是“统一可扩展固件接口”(即是Unified Extensible Firmware Interface)。现在很多电脑都支持UEFI，但还是没有彻底取代传统的BIOS引导方式。

uefi bios和legacy bios都是引导模式，uefi启动速度很快，一次可读取1M，而传统的legacy比较慢，一次只能读取64k。

1、UEFI初始化

计算机通电后，即开始完成cpu初始化->芯片初始化->主板初始化等硬件初始化一系列工作。

2、将系统内核加载到内存

在完成硬件初始化工作后，就开始将系统的内核加载到内存，同时开始启动运行。

3、启动systemd进程

这一步，就是将计算机的控制权交给systemd进程，由其完成系统的启动过程。

三、BIOS启动和UEFI启动的区别