Legacy BIOS#

Legacy BIOS 是传统的固件程序，只能运行在 16 位实模式下。这个限制来自 1981 年 IBM PC 的设计，当时 8086 CPU 只有 20 根地址线，最大寻址 1MB，BIOS 的整个接口体系（INT 0x10 屏幕输出、INT 0x13 磁盘访问等中断服务）都建立在 16 位实模式之上，此后 40 年的硬件迭代都无法打破这个兼容性枷锁。

实模式的约束直接决定了 Legacy BIOS 的能力边界：只能使用 1MB 内存；引导记录被限制在 MBR 的 512 字节（446 字节引导代码 + 64 字节分区表 + 2 字节签名 0x55AA），因为 MBR 必须装进一个扇区；分区表只有 4 个条目，最多支持 4 个主分区（或 3 主分区 + 1 扩展分区）；使用 32 位 LBA 寻址，磁盘上限 2TB；没有文件系统驱动，只能直接读取磁盘扇区，这意味着引导加载器必须自己实现文件系统解析。

Legacy BIOS 的执行流程如下：首先进行 POST（Power-On Self Test）自检，检查基本输入输出设备，失败时主板发出蜂鸣或闪烁信号灯；然后在物理地址 0x0000 建立中断向量表（IVT），填充 BIOS 中断服务程序；接着读取 CMOS 中的配置参数（启动顺序、硬盘设置等），执行固件初始化，初始化 CPU、内存控制器、芯片组、总线（PCIe、USB、SATA）、时钟等；之后按启动顺序逐个查找引导设备，读取每个设备最前面的 512 字节，如果末尾两个字节是 0x55 和 0xAA 就认为该设备可引导；最后将可引导设备的 MBR 加载到内存 0x7C00 处，将控制权交给 Bootloader。

UEFI#

UEFI（统一可扩展固件接口）抛弃了 16 位实模式的兼容性包袱，在极早期就切换到保护模式以使用更大的地址空间。这个设计选择牺牲了与旧 BIOS 中断服务的兼容性（UEFI 程序不能调用 INT 0x10 等），换来的是：支持 GPT 分区表（突破 2TB 限制和 4 分区限制）、内置文件系统驱动（可直接读取 FAT32 上的 EFI 文件）、原生图形输出协议（GOP，不依赖 VGA）、网络协议栈等。

UEFI 将启动过程划分为 7 个阶段，每个阶段有明确的职责边界和状态转换条件：

SEC（Security）阶段进行硬件初始化和验证，相当于 BIOS 的 POST 自检，但增加了固件完整性校验（Secure Boot）。PEI（Pre-EFI Initialization）阶段初始化内存和其他关键资源，此时内存还不可用，PEI 代码只能使用 CPU 寄存器和 ROM 中的临时存储（称为 CAR，Cache-as-RAM）。DXE（Driver Execution Environment）阶段是工作量最大的阶段，初始化大部分硬件驱动和功能，此时内存已可用，可以加载和执行复杂的驱动模块。BDS（Boot Device Selection）阶段确定从哪个设备加载操作系统。TSL（Transition to SMM）阶段准备操作系统加载。RT（Runtime）阶段操作系统已接管。AL（Advanced Launch）阶段涉及灾难恢复或关机。

这种分阶段设计的核心动机是信任链的逐级建立：SEC 验证 PEI，PEI 验证 DXE，DXE 验证 BDS，每一级只信任已验证的下一级代码，未经验证的代码不允许执行。这是 Secure Boot 的基础。

由于 UEFI 在操作系统启动前就已初始化大部分硬件驱动，在加载操作系统前就能完整利用硬件功能，直接识别文件系统、通过显卡显示图形界面、使用网络等。它直接在 ESP（EFI System Partition）中查找特定路径的引导程序（如 /EFI/BOOT/BOOTX64.EFI）进行启动，不再需要 MBR 那种逐扇区扫描的方式。

UEFI#

UEFI 下没有 MBR 的 512 字节限制，流程更简单：

1. UEFI 固件从 EFI 系统分区（ESP）加载 grubx64.efi
2. grubx64.efi 内部包含 GRUB2 的核心功能（类似 BIOS 模式的 core.img）
3. 加载 /boot/grub/grub.cfg 和其他模块
4. 显示菜单，加载内核 + initrd，跳转执行

这一层也是可以着手编码的层。

1. 架构相关初始化（Architecture-Specific Setup）#

• CPU 模式切换：在 x86 上，从实模式进入保护模式/长模式（64 位），设置段寄存器
• 内存管理：建立初始页表，启用分页（MMU），保留引导信息中的物理内存布局
• 中断机制：设置 GDT（全局描述符表）、IDT（中断描述符表），初始化 APIC/IOAPIC
• CPU 特性检测：检测并启用 CPU 扩展功能（FPU、MMX、SSE 等）
• 早期输出：初始化 early console 以便 printk() 能输出调试信息
• 内核解压：bzImage 格式的内核先在低地址执行解压，再把完整内核搬到高地址运行

2. 内核通用初始化（start_kernel()）#

进入内核 C 语言入口点 start_kernel()，这里会初始化几乎所有核心子系统：

• 内存管理：伙伴系统初始化（物理页分配器），虚拟内存子系统建立
• 进程调度器：sched_init() 初始化调度框架
• 同步机制：初始化 RCU（Read-Copy Update）等高性能同步机制
• 时钟和定时器：time_init() 设置系统时钟和定时器中断
• 内核日志：printk() 正式启用环形缓冲
• 安全机制：初始化 Linux Security Modules（LSM）
• 虚拟文件系统：初始化 VFS、挂载内存中的临时根文件系统 rootfs（ramfs/tmpfs）
• 设备模型：建立总线/设备/驱动模型，准备后续设备探测

3. 关键内核线程和进程#

在 rest_init() 中，内核启动几个关键进程：

• 0 号进程（idle 或 swapper）：最初的内核上下文，最终进入空闲循环
• 1 号进程（kernel_init）：内核初始化线程，后续会尝试执行 /init 或 /sbin/init
• 2 号进程（kthreadd）：内核线程管理器，负责创建其他内核线程

4. initramfs 处理#

如果引导加载器提供了 initramfs，内核会：

• 解压 initramfs 到内存中的 rootfs
• 将其作为临时根文件系统使用
• 尝试执行 initramfs 内的 /init 程序（第一个用户态程序）

如果没有 initramfs，或 /init 执行失败，内核会直接查找并执行指定根文件系统上的 /sbin/init、/bin/init 或 /bin/sh。

initramfs 本质上是一个临时的基于内存的根文件系统，使命是为挂载真实的根文件系统做准备。内核启动 initramfs 后，会运行其中的 /init 脚本或可执行文件，最后切换到真正的用户根文件系统。

systemd 启动流程（主流 Linux 发行版）#

systemd 的启动流程按顺序分为四步。

第 1 步：读取配置文件。systemd 读取 /etc/systemd/system.conf（本地覆盖）和 /usr/lib/systemd/system.conf（发行版默认），以及管理单元文件（/etc/systemd/system/ 本地自定义、/usr/lib/systemd/system/ 系统默认）。

第 2 步：确定启动目标（Target）。systemd 根据默认目标（通过 /etc/systemd/system/default.target 符号链接指定）决定启动到哪个模式：

• graphical.target：图形界面多用户模式
• multi-user.target：命令行多用户模式
• rescue.target：单用户维护模式

第 3 步：初始化基础系统。挂载必要的虚拟文件系统（/proc、/sys、/dev、/run 等），设置主机名、时区、本地化、随机数种子，初始化内核模块和网络服务（如 systemd-networkd 或 NetworkManager），启动日志服务 systemd-journald、认证服务 systemd-logind、定时任务服务 systemd-timedated 等，并通过 udev 设备管理为 /dev 创建设备节点、响应热插拔事件。

第 4 步：进入用户工作环境。达到 multi-user.target 时系统进入命令行多用户模式（可登录终端）；达到 graphical.target 时启动显示管理器（gdm、lightdm、sddm 等），进入图形桌面环境。

systemd 相比传统 init 的核心改进在于依赖管理和并行启动。服务之间通过 .service、.target、.socket 等单元文件声明依赖关系，systemd 会自动分析依赖关系并尽可能并行启动服务，大幅加快启动速度。它还支持多种按需激活机制：Socket Activation（端口有连接时启动服务）、D-Bus Activation（通过 D-Bus 消息按需启动服务）、Path / Mount Activation（监控路径或挂载事件触发服务）。

SysV init 启动流程（对比 systemd）#

• 使用 /etc/inittab 定义默认运行级别（0–6）
• 每个运行级别对应 /etc/rcX.d/，包含启动/关闭脚本链接，顺序执行
• 串行启动，缺乏依赖关系管理，启动较慢

文本登录（multi-user.target）#

• getty：在虚拟终端（tty1–tty6）启动，显示 login: 提示符
• 认证：用户输入用户名和密码，经由 PAM（Pluggable Authentication Modules） 认证
• 启动 Shell：认证成功后，执行 /etc/passwd 中指定的登录 shell（如 /bin/bash、/bin/zsh）
• 加载配置：shell 执行其初始化配置文件（如 .bashrc、.zshrc）

图形登录（graphical.target）#

• 显示管理器（Display Manager, DM）：如 gdm、lightdm、sddm
  • 提供图形化登录界面
  • 通过 PAM 完成用户认证
• 桌面会话：认证通过后，DM 启动桌面会话（如 GNOME、KDE Plasma、XFCE、Wayland 或 X11 会话）
  • 启动桌面环境核心进程（会话管理器、面板、文件管理器等）
  • 执行用户自定义的自动启动脚本（~/.xinitrc、~/.config/autostart/ 等）