摘要：操作系統(tǒng)的啟動(dòng)過程差別不大，Window和linux的啟動(dòng)都需要【通電】-【自檢】-【登錄】幾個(gè)步驟。對(duì)Linux系統(tǒng)而言，更詳細(xì)的啟動(dòng)流程為：通電-->BIOS-->主引導(dǎo)記錄（MBR）-->grub引導(dǎo)-->加載內(nèi)核-->init進(jìn)程-->讀取/etc/inittab（運(yùn)行級(jí)別）-->/etc/init.d-->用戶登錄-->Login shell。
本文主要介紹Linux系統(tǒng)啟動(dòng)流程中涉及的幾個(gè)階段的相關(guān)介紹，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考下文。
一、基于BIOS啟動(dòng)
1、BIOS自檢階段
說明：BIOS是Basic Input/Output System 的縮寫，意思是基本輸入/輸出系統(tǒng)，BIOS是電腦開機(jī)后必須調(diào)用的程序，檢測程序都由BIOS提供，BIOS更是配件之間的一個(gè)數(shù)據(jù)交換和協(xié)調(diào)中心。BIOS的作用是為計(jì)算機(jī)提供最底層的、最直接的硬件設(shè)置和控制。BIOS是一組固化到計(jì)算機(jī)內(nèi)主板上一個(gè)ROM芯片上的程序，保存著計(jì)算機(jī)最重要的基本輸入輸出的程序、開機(jī)后自檢程序和系統(tǒng)自啟動(dòng)程序，可從CMOS中讀寫系統(tǒng)設(shè)置的具體信息。
（1）、硬件自檢
BIOS中主要存放的程序包括：自診斷程序（通過讀取CMOS RAM中的內(nèi)容識(shí)別硬件配置，并對(duì)其進(jìn)行自檢和初始化）、CMOS設(shè)置程序（引導(dǎo)過程中，通過特殊熱鍵啟動(dòng)，進(jìn)行設(shè)置后，存入CMOS RAM中）、系統(tǒng)自動(dòng)裝載程序（在系統(tǒng)自檢成功后，將磁盤相對(duì)0道0扇區(qū)上的引導(dǎo)程序裝入內(nèi)存使其運(yùn)行）和主要I/O驅(qū)動(dòng)程序和中斷服務(wù)（BIOS和硬件直接打交道，需要加載I/O驅(qū)動(dòng)程序）。
BIOS程序首先檢查，計(jì)算機(jī)硬件能否滿足運(yùn)行的基本條件，這叫做”硬件自檢”（Power-On Self-Test），縮寫為POST。
如果硬件出現(xiàn)問題，主板會(huì)發(fā)出不同含義的蜂鳴，啟動(dòng)中止。如果沒有問題，屏幕就會(huì)顯示出CPU、內(nèi)存、硬盤等信息。
（2）、啟動(dòng)順序
硬件自檢完成后，BIOS把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給下一階段的啟動(dòng)程序。
這時(shí)，BIOS需要知道，“下一階段的啟動(dòng)程序”具體存放在哪一個(gè)設(shè)備。也就是說，BIOS需要有一個(gè)外部儲(chǔ)存設(shè)備的排序，排在前面的設(shè)備就是優(yōu)先轉(zhuǎn)交控制權(quán)的設(shè)備。這種排序叫做”啟動(dòng)順序”（Boot Sequence）。
打開BIOS的操作界面，里面有一項(xiàng)就是“設(shè)定系統(tǒng)啟動(dòng)順序”。
2、引導(dǎo)記錄
說明：BIOS按照”啟動(dòng)順序”，把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給排在第一位的儲(chǔ)存設(shè)備。即根據(jù)用戶指定的引導(dǎo)順序從軟盤、硬盤或是可移動(dòng)設(shè)備中讀取啟動(dòng)設(shè)備的MBR，并放入指定的位置（0x7c000）內(nèi)存中。
這時(shí)，計(jì)算機(jī)讀取該設(shè)備的第一個(gè)扇區(qū)，也就是讀取最前面的512個(gè)字節(jié)。如果這512個(gè)字節(jié)的最后兩個(gè)字節(jié)是0x55和0xAA，表明這個(gè)設(shè)備可以用于啟動(dòng)；如果不是，表明設(shè)備不能用于啟動(dòng)，控制權(quán)于是被轉(zhuǎn)交給”啟動(dòng)順序”中的下一個(gè)設(shè)備。
這最前面的512個(gè)字節(jié)，就叫做“主引導(dǎo)記錄”（英文為Master boot record，縮寫為MBR）。
（1）、主引導(dǎo)記錄的結(jié)構(gòu)
“主引導(dǎo)記錄”只有512個(gè)字節(jié)，放不了太多東西。它的主要作用是，告訴計(jì)算機(jī)到硬盤的哪一個(gè)位置去找操作系統(tǒng)。
主引導(dǎo)記錄由三個(gè)部分組成
- 第1-446字節(jié)：調(diào)用操作系統(tǒng)的機(jī)器碼。
- 第447-510字節(jié)：分區(qū)表（Partition table）。
- 第511-512字節(jié)：主引導(dǎo)記錄簽名（0x55和0xAA）。
其中，第二部分”分區(qū)表”的作用，是將硬盤分成若干個(gè)區(qū)。
（2）、分區(qū)表
說明：對(duì)磁盤進(jìn)行分區(qū)有很多好處。考慮到每個(gè)區(qū)可以安裝不同的操作系統(tǒng)，“主引導(dǎo)記錄”必須知道將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給哪個(gè)區(qū)。
分區(qū)表的長度只有64個(gè)字節(jié)，里面又分成四項(xiàng)，每項(xiàng)16個(gè)字節(jié)。所以，一個(gè)硬盤最多只能分四個(gè)“主分區(qū)”。
每個(gè)主分區(qū)的16個(gè)字節(jié)，由6個(gè)部分組成：
第1個(gè)字節(jié)：如果為0x80，就表示該主分區(qū)是激活分區(qū)，控制權(quán)要轉(zhuǎn)交給這個(gè)分區(qū)。四個(gè)主分區(qū)里面只能有一個(gè)是激活的。
第2-4個(gè)字節(jié)：主分區(qū)第一個(gè)扇區(qū)的物理位置（柱面、扇區(qū)號(hào)等等）。
第5個(gè)字節(jié)：主分區(qū)類型。
第6-8個(gè)字節(jié)：主分區(qū)最后一個(gè)扇區(qū)的物理位置。
第9-12字節(jié)：該主分區(qū)第一個(gè)扇區(qū)的邏輯地址。
第13-16字節(jié)：主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)。
最后的四個(gè)字節(jié)（”主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)”），決定了這個(gè)主分區(qū)的長度。也就是說，一個(gè)主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)最多不超過2的32次方。
如果每個(gè)扇區(qū)為512個(gè)字節(jié)，就意味著單個(gè)分區(qū)最大不超過2TB。再考慮到扇區(qū)的邏輯地址也是32位，所以單個(gè)硬盤可利用的空間最大也不超過2TB。如果想使用更大的硬盤，只有2個(gè)方法：一是提高每個(gè)扇區(qū)的字節(jié)數(shù)，二是增加扇區(qū)總數(shù)。
3、啟動(dòng)磁盤
說明：等完成磁盤引導(dǎo)記錄的操作后，計(jì)算機(jī)的控制權(quán)就要轉(zhuǎn)交給硬盤的某個(gè)分區(qū)了。
（1）、卷引導(dǎo)記錄
上面提到，磁盤的四個(gè)主分區(qū)里面，只有一個(gè)是激活的。計(jì)算機(jī)會(huì)讀取激活分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，叫做“卷引導(dǎo)記錄”（Volume boot record，縮寫為VBR）。
“卷引導(dǎo)記錄”的主要作用是，告訴計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)在這個(gè)分區(qū)里的位置。然后，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)加載這里的操作系統(tǒng)文件。
（2）、擴(kuò)展分區(qū)和邏輯分區(qū)
隨著硬盤越來越大，四個(gè)主分區(qū)已經(jīng)不夠了，需要更多的分區(qū)。但是，分區(qū)表只有四項(xiàng)，因此規(guī)定有且僅有一個(gè)區(qū)可以被定義成“擴(kuò)展分區(qū)”（Extended partition）。所謂”擴(kuò)展分區(qū)”，就是指這個(gè)區(qū)里面又分成多個(gè)區(qū)。這種分區(qū)里面的分區(qū)，就叫做“邏輯分區(qū)”（logical partition）。
計(jì)算機(jī)先讀取擴(kuò)展分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，叫做“擴(kuò)展引導(dǎo)記錄”（Extended boot record，縮寫為EBR）。它里面也包含一張64字節(jié)的分區(qū)表，但是最多只有兩項(xiàng)（也就是兩個(gè)邏輯分區(qū)）。
計(jì)算機(jī)接著讀取第二個(gè)邏輯分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，再從里面的分區(qū)表中找到第三個(gè)邏輯分區(qū)的位置，以此類推，直到某個(gè)邏輯分區(qū)的分區(qū)表只包含它自身為止（即只有一個(gè)分區(qū)項(xiàng)）。因此，擴(kuò)展分區(qū)可以包含無數(shù)個(gè)邏輯分區(qū)。
但是，似乎很少通過這種方式啟動(dòng)操作系統(tǒng)。如果操作系統(tǒng)確實(shí)安裝在擴(kuò)展分區(qū)，一般采用下一種方式啟動(dòng)。
（3）、啟動(dòng)管理器
說明：Linux環(huán)境中，目前最流行的啟動(dòng)管理器是Grub。
在使用啟動(dòng)管理器的情況下，計(jì)算機(jī)讀取“主引導(dǎo)記錄”前面446字節(jié)的機(jī)器碼之后，不再把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給某一個(gè)分區(qū)，而是運(yùn)行事先安裝的“啟動(dòng)管理器”（boot loader），然后選擇啟動(dòng)哪一個(gè)操作系統(tǒng)。
4、啟動(dòng)操作系統(tǒng)
說明：在完成引導(dǎo)記錄和磁盤啟動(dòng)分區(qū)的讀取后，計(jì)算機(jī)將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)的內(nèi)核首先被載入內(nèi)存。
以Linux系統(tǒng)為例，先載入/boot目錄下面的kernel。內(nèi)核加載成功后，第一個(gè)運(yùn)行的程序是/sbin/init。它根據(jù)配置文件產(chǎn)生init進(jìn)程。這是Linux啟動(dòng)后的第一個(gè)進(jìn)程，pid進(jìn)程編號(hào)為1，其他進(jìn)程都是它的后代。
然后，init線程加載系統(tǒng)的各個(gè)模塊，比如窗口程序和網(wǎng)絡(luò)程序，直至執(zhí)行/bin/login程序，跳出登錄界面，等待用戶輸入用戶名和密碼。至此，完成Linux系統(tǒng)的啟動(dòng)過程。
二、基于UEFI啟動(dòng)
說明：提到UEFI啟動(dòng)，一般都會(huì)想到GPT，這里的GPT即GUID Partition Table，中文的意思是“全局唯一標(biāo)識(shí)分區(qū)表”，是一個(gè)實(shí)體磁盤的分區(qū)表的結(jié)構(gòu)布局的標(biāo)準(zhǔn)。而UEFI的全稱是“統(tǒng)一可擴(kuò)展固件接口”(即是Unified Extensible Firmware Interface)。現(xiàn)在很多電腦都支持UEFI，但還是沒有徹底取代傳統(tǒng)的BIOS引導(dǎo)方式。
uefi bios和legacy bios都是引導(dǎo)模式，uefi啟動(dòng)速度很快，一次可讀取1M，而傳統(tǒng)的legacy比較慢，一次只能讀取64k。
1、UEFI初始化
計(jì)算機(jī)通電后，即開始完成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、將系統(tǒng)內(nèi)核加載到內(nèi)存
在完成硬件初始化工作后，就開始將系統(tǒng)的內(nèi)核加載到內(nèi)存，同時(shí)開始啟動(dòng)運(yùn)行。
3、啟動(dòng)systemd進(jìn)程
這一步，就是將計(jì)算機(jī)的控制權(quán)交給systemd進(jìn)程，由其完成系統(tǒng)的啟動(dòng)過程。
三、BIOS啟動(dòng)和UEFI啟動(dòng)的區(qū)別
