В этой статье описаны основные этапы загрузки операционной системы Linux.  Эта тема которую неплохо бы было знать любому ИТ-специалисту.

Основные этапы загрузки хоста с ОС Linux:

  1. BIOS/UEFI  -> MBR/GPT

  2. MBR/GPT -> Boot loader (GRUB2)

  3. Boot loader (GRUB2) -> Инициализация ядра (Kernel)

  4. Инициализация ядра (Kernel) -> Init (Systemd)

В этой статье описываются GRUB2 и Systemd, поскольку они являются основными для большинства основных дистрибутивов, но на практике еще можно найти другие.

BIOS 

Первый шаг процесса загрузки не имеет ничего общего с Linux. Это аппаратная часть процесса загрузки, которая является одинаковой для любой операционной системы. При включении питания запускается BIOS (basic input/output system базовая система ввода-вывода), которая запускает POST (Power-On Self-Test — «самотестирование при включении»), который является частью BIOS. В случае сбоя BIOS POST, компьютер нельзя будет использовать, поэтому процесс загрузки не продолжится.

BIOS POST проверяет базовую работоспособность оборудования, а затем BIOS определяет местонахождение главных загрузочных записей (MBR) на всех подключенных загрузочных устройствах. Первый обнаруженный загрузочный сектор, содержащий действительную загрузочную запись, загружается в ОЗУ, а затем управление передается коду (GRUB2), который был загружен из загрузочного сектора.

GRUB2

В большинстве современных дистрибутивов используются загрузчик GRUB2 (можно также встретить GRUB и LILO). GRUB2 (GRand Unified Bootloader, version 2) — это программа, которая делает компьютер достаточно умным, чтобы найти ядро ​​операционной системы (Kernel) и загрузить его в память.

GRUB2 позволяет загружать многие версии Linux и другие бесплатные операционные системы; он также может загружать по цепочке загрузочную запись проприетарных операционных систем. А также, может позволить пользователю выбрать загрузку из нескольких различных ядер для любого данного дистрибутива Linux. Это дает возможность загрузить предыдущую версию ядра, если обновленная версия даст сбой или будет несовместима с важной частью программного обеспечения. GRUB2 можно настроить с помощью файла /boot/grub/grub.conf.

Функция GRUB2 состоит в том, чтобы найти и загрузить ядро ​​Linux в оперативную память и передать управление компьютером ядру. Ядро и связанные с ним файлы находятся в каталоге /boot. Файлы ядра можно идентифицировать, так как все они имеют имена, начинающиеся с vmlinuz. Вы можете посмотреть содержимое каталога /boot, чтобы увидеть установленные в настоящее время ядра в вашей системе. По умолчанию GRUB2 предоставляет предзагрузочное меню установленных ядер, включая опцию rescue и, если настроено, опцию recovery. 

GRUB2 загружает выбранное ядро ​​в память и передает управление компьютером ядру.

Kernel (ядро)

Все ядра находятся в каталоге /boot, в самораспаковывающемся сжатом формате для экономии места на диске. После того, как выбранное ядро ​​загружено в память и начинает выполняться, оно сначала извлекает себя из сжатой версии файла, прежде чем сможет выполнять какую-либо полезную работу. 

Так как файловые системы еще не смонтированы, ядро при запуске использует временную файловую систему из файла initrd.img, для того чтобы загрузиться полностью. После извлечения оно загружает инициализацию операционной системы - Systemd (PID 1) и передает ей управление. 

Systemd

Systemd является основным родителем для всех процессов, имеет первый номер процесса (PID 1) и отвечает за доведение хоста Linux до состояния, в котором можно выполнять работу. 

Systemd монтирует файловые системы, как определено в файле /etc/fstab, включая любые файлы подкачки или разделы. На этом этапе он уже может получить доступ к файлам конфигурации, расположенным в /etc, включая свои конфигурационные файлы. Он использует свой файл конфигурации, чтобы определить, в каком состоянии должен загрузить хост. 

Загрузка linux с UEFI

Новые компьютеры используют UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) вместо BIOS. UEFI содержит множество преимуществ перед BIOS, одна из которых - поддержка GPT, который позволяет использовать большие диски и помещать загрузчик на специальный раздел, а также позволяет создавать много разделов.

Раньше диски разбивались на разделы с помощью MBR, но было ограничение - диск не мог быть больше 2 TB, а разделов не могло быть больше четырёх. При этом таблица разделов и первичный загрузчик помещались на первый сектор диска в MBR. Диск разбитый с помощью GPT в первом секторе продолжает хранить MBR запись, для того, чтобы старые системы с BIOS могли использовать диски с таблицей разделов GPT.

UEFI не использует загрузчик MBR, вместо этого используется загрузчик со специального раздела на диске, который отформатирован в FAT32 и называется ESP или EFI. Обычно это файл /efi/boot/bootx64.efi. Дальше процесс такой же как и загрузкой с помощью BIOS.