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LFS101x.2 Introduction to Linux (Linux Foundation)

Chapter 03: Linux Structure and Installation - Section 2: The Boot Process

引導流程 - (The Boot Process)

你是否想過，在你按下電源開關直至Linux登陸提示出現時，后臺到底發生了哪些事？

Linux的引導過程是系統初始化的過程。它包含了第一次打開計算機直至用戶界面完全運作之間的一切。

一旦你開始使用Linux，你會發現，深入理解系統的引導流程，可以幫助你快速診斷故障，同時也可以幫助你調整計算機性能以滿足你的要求。

1.BIOS - The First Step

啟動一臺基于x86的Linux系統包含很多步驟。當計算機開機后，基本輸入輸出系統(Basic Input/Output System，BIOS)會初始化硬件，例如顯示屏、鍵盤等等，并且測試主存儲器。這個步驟被稱為上電自檢(Power On Self Test，POST)。

BIOS軟件被存儲在主板的一塊ROM芯片中。在這個步驟之后，剩余的引導流程將會交給操作系統完成。

2.Master Boot Records (MBR) and Boot Loader

一旦完成上電自檢(POST)，系統的控制權由BIOS轉給引導加載程序(boot loader)。引導加載程序通常存儲在系統的其中一個硬盤中，要么在啟動扇區(boot sector，對于傳統的BIOS/MBR系統)中，要么在EFI分區(EFI partition，對于最近標準的可擴展固件接口，或稱為EFI/UEFI系統)中。到這個階段，機器還不能訪問任何大規模存儲設備。然后，日期、時間等信息，以及重要的外圍設備從CMOS(一項基于電池供電的存儲技術，保證系統掉電后仍可以記錄日期和時間)中加載至系統。

有許多種適用于Linux的引導加載程序；最常見的是GRUB(用于統一引導加載程序)和ISOLINUX(用于從移動設備中啟動)。大多數的Linux引導程序可以提供一個用戶界面，用于選擇Linux的可選引導項，甚至可以選擇其他已安裝的操作系統。當引導Linux之時，引導加載程序負責加載內核鏡像(kernel image)以及初始RAM磁盤(initial RAM disk，包含一些關鍵文件和啟動系統所需的驅動程序)到內存中。

3.Boot Loader in Action

引導加載程序包含兩個不同的階段：

The First Stage

對于使用BIOS/MBR方式的系統，引導加載程序存放在硬盤的第一個扇區，也被成為主引導記錄(Master Boot Record，MBR)。MBR的大小僅僅512字節。在這個階段，引導加載程序檢查分區表，并找到一個可引導分區。一旦它找到了可引導分區，它將搜索第二階段的引導加載程序，例如GRUB，并且將它加載到隨機存儲器(Random Access Memory，RAM)中。

對于使用EFI/UEFI方式的系統，UEFI固件讀取引導管理器(Boot Manager)數據，以決定哪個UEFI應用啟動且從哪啟動(從哪個磁盤和分區可以找到EFI分區)。然后這個固件啟動這個UEFI應用，例如GRUB，這個UEFI應用被定義為固件引導管理器的引導入口。這個過程更為復雜，但是比以往MBR方式更為靈活。

The Second Stage

第二階段的引導加載程序位于 /boot 目錄下。一個顯示畫面會出現，讓我們選擇引導哪個操作系統(Operating System，OS)。在選擇完OS之后，引導加載程序加載選定操作系統的內核到RAM，然后將控制權交給它。

引導程序加載了選定的內核鏡像(如果是Linux)并將控制權給它之后。內核幾乎總是被壓縮的，所以它的第一件事就是解壓內核文件。然后，它會檢查并分析系統硬件，并初始化內核中存在的所有硬件設備驅動。

4.Linux Kernel

引導程序將內核和一個基于RAM的初始文件系統(initramfs)加載到內存，使得initramfs可以被內核直接使用。

當內核在RAM中加載完畢，它會立刻初始化并配置計算機內存，同時也配置所有的系統硬件。這包括所有的處理器、I/O子系統、存儲設備等等。內核同時也加載一些必要的用戶空間程序。

5.初始RAM磁盤

initramfs文件系統鏡像包含程序文件和二進制文件，這些文件可以完成掛載root文件系統所需的所有操作。比如，給所需的文件系統提供內核功能，給大容量存儲控制器提供設備驅動udev(為用戶設備)，這些驅動負責找出哪些設備可用，定位這些設備正常工作所需的驅動，并且加載它們。當找到root文件系統之后，檢測是否有錯，并掛載文件系統。

掛載(mount)程序會指示操作系統，文件系統已經可用，并將文件系統全局層次的一個特定點與之關聯，這個點稱為掛載點(themount point)。如果操作成功，initramfs將會從RAM中清除，然后root文件系統下(/sbin/init)的init程序將會執行。

init程序處理掛載和跳轉到最終實際的root文件系統。如果在大容量存儲器可以訪問之前，需要一些特殊的硬件驅動，這些驅動必須包含在initramfs鏡像中。

6./sbin/init 和服務

一旦內核設置完所有的硬件并掛載root文件系統，內核執行 /sbin/init程序。然后，這變成了初始化進程，然后開始其他進程以使得系統運轉。大多數系統上的進程，追其來源，都來自與init；例外的是內核進程，內核進程直接由內核啟動，管理操作系統的內部細節。

傳統上，這個進程啟動所使用的約定，可以追溯到System V UNIX時期，系統運行是通過一系列的運行等級(runlevel)和一系列啟動/停止服務的腳本來完成的。每個運行等級支持運行系統的不同模式。在每個運行等級，個人服務可以設置開始運行，或者停止運行。更新的發行版本拋棄了System V約定，但是通常為了兼容性仍支持System V約定。

除了啟動系統，init還要負責保持系統運行或完全關閉系統。它扮演了所有非內核進程“最終管理者”的角色。當必要時會在進程結束后清理它們，當用戶需要登陸/登出時會重啟用戶登錄服務。

7.Text-Mode Login

在引導進程接近結束之時，init啟動了一系列文本模式登陸提示(通過一個叫做getty的程序)。這使得你能夠輸入自己的用戶名，密碼，并最終進入命令shell界面。

通常，這個命令shell叫做bash(the GNUBourne Again Shell)，但是也存在很多其他高級的命令shell可用。shell會打印出一個文本提示，表明已經準備好接受命令；當用戶輸入命令并敲擊Enter鍵之后，命令會被執行，然后另一個文本提示會在命令執行后顯示。

就如你在Command Line Operations章節所學到的那樣，運行命令shell的終端可以通過ALT加功能鍵(functionkey)訪問。大多數發行版本從F1或者F2開始，開啟6個文本終端和一個圖形終端。如果圖形終端也啟動了，那么切換至文本終端需要按CTRL+ALT再加上相應的功能鍵(F1或者F7是GUI)。如你接下來將簡要看到的，如果你在一個純文本模式，想要打開或重啟圖形桌面，需要運行startx命令。