前言

个人电脑(PC)的出现极大的普及了计算机的应用，从1980年IBM推出了以Intel的x86构架搭配微软的MS-DOS操作系统的PC以来，现代PC的硬件设备几乎都是由Wintel架构垄断的，不过今天我们并不深入探讨历史，而是介绍一下这种构架的电脑启动的原理。

PC启动原理

BIOS

从按下电源按钮开始，计算机进行加电自检(Power On Self Test ，POST)，POST过后初始化用于启动的硬件（磁盘、键盘控制器等），然后从主板的ROM或Flash芯片中加载基本输入/输出系统(Basic Input/Output System，BIOS)到内存中，进行初始化，随后从CMOS中读取用户自定义的设置，这时候根据设置信息，BIOS通过启动顺序(BootSequence)列表查找对应设备上的启动文件。

MBR格式磁盘

在使用MBR格式的磁盘时，这种格式的磁盘第一个扇区保存有主引导记录(Master Boot Becord，MBR)，这个记录有512字节大小，如果最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动，那么它将接管BIOS传递的控制权，否则，BIOS将查找下一个设备。

主引导记录

主引导记录由三部分组成

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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）

由于分区表的长度只有64个字节，一个分区需要占用16个字节，所以MBR格式硬盘最多只能存在四个主分区。MBR格式磁盘的弊端不仅如此：由于主分区只有16个字节，它又由6个部分组成：

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第1个字节：如果为0x80，就表示该主分区是激活分区
第2-4个字节：主分区第一个扇区的物理位置（柱面、磁头、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，决定了这个主分区的长度。

扇区总数为最多不超过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。为了解决这些问题，人们发明了GPT格式的硬盘。

继续前面的话题，当BIOS在存储设备找到MBR并且MBR存在启动信息时，这时又会遇到三种情况

  1. 卷引导记录
    四个主分区里只有一个是激活的，那么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，VBR)，它会告诉计算机操作系统所在分区的位置，然后计算机开始加载操作系统
  2. 扩展分区和逻辑分区
    由于MBR磁盘只能存在四个主分区，但是在硬盘越来越大的今天是远远不够用的，所以，人们把其中一个主分区定义成扩展分区(Extended Partition)，在这个分区中又可以划分出多个逻辑分区(Logical Partition)，理论上可以划分为无数个逻辑分区，每一个逻辑分区都有一个和MBR结构类似的扩展引导记录，如果操作系统安装在扩展分区，计算机会先读取扩展分区的第一个扇区中的扩展引导记录，但是一般很少使用这种方式启动操作系统。
  3. Bootloader
    当使用启动管理器时，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(Bootloader)，由用户选择启动哪一个操作系统。这也是当今操作系统启动的主流方式。

在Windows系统中

  • Windows NT开始为NTLDR
  • Winsows Vista开始为Windows Boot Manager

在Linux系统中

  • CentOS 6为grub legacy
  • CentOS 7为grub2

UEFI

随着计算机技术的不断进步，老旧的BIOS已经不能适应现在的要求，于是统一可扩展固件接口(Unified Extensible Firmware Interface，UEFI)技术出现了。

与BIOS相比，UEFI使用模块化理念，它可以加载ESP分区中的EFI应用程序和EFI驱动程序，支持安全启动、GUI等新功能，这些取决于PC制造商是否添加，它还能实现BIOS的兼容模式。只需要把操作系统的引导程序做成一个EFI应用程序就可以使用UEFI加载引导了，如果存在多个操作系统，只需要在UEFI引导界面选择相应的程序就行了。
UEFI的启动流程
首先系统开机，然后进行自检(Power On Self Test，POST)，随后UEFI 固件被加载，并由它初始化启动要用的硬件。随后启动UEFI引导管理器，它将通过NVRAM中定义的配置决定如何加载UEFI驱动和UEFI可执行文件。已启动的UEFI应用还可以启动其他应用比如bootloader或者启动内核及initramfs，我们只要把操作系统的bootloader做成一个EFI可执行文件，放入EFI分区对应的目录就可以使用UEFI读取启动了。

GPT格式磁盘

全局唯一标识分区表(GUID Partition Table，GPT)，与MBR最大4个分区表项的限制相比，GPT对分区数量没有限制，其分区数量只受操作系统限制，GPT可管理硬盘大小达到了18EB。只有基于UEFI平台的主板才支持GPT分区引导启动。

Linux系统启动流程

1.内核的引导

存储设备上的Bootloader接过BIOS的控制权后进行Linux的内核引导，这时根文件系统并未挂载，而内核要读取文件系统就必须要挂载根文件系统，但此时并没有文件系统能提供挂载点，为了解决这个问题内核就先读取存储介质中的初始RAM磁盘(Initialized RAM Disk，initrd)并将其加载到内存作为一个临时的根目录，加载一部分驱动，最重要的是用来挂载真正的根文件系统(这时是以只读方式)，然后切换到真正的根文件系统，完成初始化任务，最后内核会运行第一个程序/sbin/init并将系统控制权交给它。

2.启动初始化进程

Linux的init程序经过了好几个版本，以CentOS为例

系统版本 init程序
CentOS 5及以前 SysV，配置文件： /etc/inittab
CentOS 6 Upstart，配置文件： /etc/inittab, /etc/init/*.conf
CentOS 7 Systemd，配置文件： /usr/lib/systemd/system、 /etc/systemd/system

在使用SysV的系统上,内核文件加载之后，就开始运行第一个程序/sbin/init，它负责初始化系统环境，他的pid为1，其他所有进程都由它衍生，都是他的子进程。
在采用systemd的系统上，运行的第一个程序为/usr/lib/systemd/systemd，它的的pid同样为1，也是所有进程的父进程。

3.设置运行级别

运行级别用于设定Linux操作系统不同的运行模式，运行级别控制Linux系统通过init程序为不同场合分配不同的开机启动程序。

Linux系统有7个运行级别(runlevel)：

运行级别 说明
runlevel 0 系统停机、关机，系统默认运行级别不能设为0，否则不能正常启动
runlevel 1 单用户状态，root权限，用于系统维护，禁止远程登陆，无网络连接
runlevel 2 多用户状态，无网络连接，不运行守护进程，无NFS
runlevel 3 完全的多用户状态，有NFS，登陆后进入控制台命令行模式
runlevel 4 系统未使用，保留
runlevel 5 多用户，X11控制台，登陆后进入图形GUI模式
runlevel 6 系统正常关闭并重启，默认运行级别不能设为6，否则不能正常启动

init程序读取/etc/inittab定义的运行级别来进行系统初始化。

在systemd中runlevel已被target取代，systemd会读取/etc/systemd/system/default.target来决定启动到什么样的target(sysv中称为runlevel)，这是一个符号链接，指向/usr/lib/systemd/system/下相应的target，由于可以实现并行启动，systemd没有严格的启动顺序。在CLI环境default.target指向/lib/systemd/system/multi-user.target，systemd通过读取target文件进行下一步操作，比如运行/usr/lib/systemd/system/sysinit.target开始系统初始化，这些都依赖于相应的target文件中的配置。

4.系统初始化

当设置好了runlevel之后，init程序会首先执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本，它是每个runlevel都要执行的重要脚本，它主要进行以下操作：

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1.设置主机名称；
2.设置启动的欢迎信息；
3.激活udev和SELinux
4.挂载/etc/fstab文件中定义的所有有效文件系统；
5.激活各个swap设备；
6.检测rootfs，并且以读写的方式重新挂载rootfs；
7.设置系统时间；
8.根据/etc/sysctl.conf文件设置内核参数；
9.激活lvm和软RAID等高级逻辑设备；
10.加载额外的设备的驱动程序；
11.完成清理工作；

然后init程序根据相应的级别加载对应配置的程序，所有由rc脚本关闭或启动的链接文件的源文件都存在于/etc/rc.d/init.d，通过链接的方式放入不同的runlevel文件夹。比如当引导至运行级别 5 时，init 程序会在 /etc/rc.d/rc5.d/ 目录中查看并确定要启动和停止的进程。当init程序启动完对应的程序与守护进程后，这是系统环境基本已经搭建好了。

在systemd中，/usr/lib/systemd/system/sysinit.target、/usr/lib/systemd/system/basic.target等target会根据对应的依赖关系启动，执行相应的系统初始化任务。

5.用户登陆

用户可以通过三种方式登陆Linux

  • CLI登陆
  • SSH登陆
  • GUI登陆

这几种登陆方式会读取不同的配置文件，在Bash Shell相关博文会做详细介绍。

用户登陆系统后，开机过程就算完成了。

总结

简化的Linux系统启动流程

BIOS + MBR

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POST --> BIOS --> MBR --> Bootloader --> kernel + ramdisk --> rootfs(read-only) --> /sbin/init(systemd) --> login

UEFI + GPT

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POST --> UEFI --> EFI Application(Bootloader) --> kernel + ramdisk --> rootfs(read-only) --> /sbin/init(systemd) --> login

附录

Overview of systemd for RHEL 7：https://access.redhat.com/articles/754933