轉自：http://cizixs.com/2015/01/18/linux-boot-process
簡介
我們都知道：作業系統運作的代碼是在硬碟上的，最終要跑到記憶體和 CPU 上，才能被我們使用。
那從摁下電源鍵到看到系統界面，作業系統是怎麼霸占了所有的硬體資源，把自己加載到記憶體開始運作的呢？ 可以想到有兩個可能性：作業系統自己實作的，或者有其他貴人幫忙。如果是作業系統自己啟動的，就有了一個“雞生蛋，蛋生雞”的問題；如果是後者的話，一定有在作業系統啟動之前就能工作的神力，把沉睡在硬碟的作業系統變到工作狀态。
事實上，Linux 系統的啟動正是上面第二種情況。幫助把 Linux 核心（Kernel）加載到記憶體的程式是 Boot Loader，下圖的箭頭表示加載關系。
Boot Loader —-> Linux Kernel
現在隻需要知道
Boot Loader
位于啟動盤的第一個扇區，功能是引導 Linux 系統就可以啦，至于更詳細的說明會在後面提到。那現在的問題是
Boot Loader
是怎麼運作起來的？而且，系統怎麼知道哪個可啟動裝置要使用呢？有時候計算機可能啟動的裝置可能有多個：網絡、硬碟、U 盤，CD 盤等。這就需要另外一個東西來做這件事，那就是 BIOS。
BIOS —-> Boot Loader
順着上面的思路，現在的問題是：BIOS 的誰啟動的？呃，這好像是個沒有止境的過程。不過幸運的是，難題就到此結束了。BIOS 是嵌在主機闆上的固件，計算機啟動時候的約定就是啟動 BIOS 開始執行。
最後總結一下 Linux 的啟動過程：
- 摁下電源鍵，BIOS（Basic Input/Output System）啟動初始化硬體的工作，包括螢幕和鍵盤，記憶體檢測，這個過程也被成為 POST（Power On Self Test），然後按照 CMOS RAM 中設定的啟動裝置查找順序，來尋找可啟動裝置 。注：BIOS 程式嵌在主機闆的 ROM 晶片上的。
- POST 過程結束後，系統的控制權從 BISO 轉交到 boot loader。Boot loader 一般存儲在系統的硬碟上（傳統的 BIOS/MBR 系統），或者 EFI 分區上（最近的 EFI 系統）。這個時候機器不能擷取外部的存儲或者網絡資訊，一些重要的值（日期、時間、其他外部值）都是從 CMOS 裡讀取。CMOS 在計算機斷電後也能工作的裝置，Boot Loader 會在後面講解。
- Boot Loader 選擇要啟動的作業系統，加載核心鏡像和初始化 RAM disk 到記憶體。系統的核心開始運作，直到關機為止。
BIOS
摁下電源鍵的時候，計算機的一些寄存器被設定初值，指令寄存器 CS:IP 指向 BIOS 的第一條指令。BIOS 掌握控制權，來執行硬體檢測的程式，BIOS 在結束自己生命之前會尋找可啟動裝置。那麼，BIOS 怎麼知道哪些裝置室可以啟動的呢？如果計算機要從一個不能啟動的設定加載系統，會發生嚴重的錯誤。啟動裝置的第一個扇區的末尾兩個位元組一定是：
0x55
和
0xAA
，這兩個魔法數就是區分可啟動裝置和不可啟動裝置的關鍵。使用
sudo head -c 512 /dev/sda | hd
可以看到第一個扇區的内容，注意最後兩個字元。
BIOS 如果找不到可啟動裝置的話，就會報
No Bootable Device Error
。
Boot Loader
對于使用 BIOS/MBR 模式的系統來說，Boot Loader 位于硬碟的第一個扇區，也稱為 MBR（Master Boot Record）。MBR 隻有 512 位元組，主要工作就是檢查分區表，并找到可以啟動的分區，一旦找到啟動分區，就在該分區裡找到後面的 Boot Loader – 比如GRUB，把它加載到記憶體（RAM）。
MBR 這麼有限的位元組空間裡，主要包括了三部分的内容：
- bootstrap code：啟動作業系統的代碼
- 分區表：訓示系統盤的位置
- 魔法數：0x55AA
對于使用 EFI/UEFI 模式的系統來說，UEFI 固件讀取 Boot Manager 的資料來決定啟動哪一個 UEFI 應用，已經找到它的位置。該固件然後啟動 UEFI 應用，比如 GRUB。
現在的控制權都到了 GRUB 啟動程式的手裡，GRUB 根據你選擇的系統（多系統的情況會有界面出現讓使用者選擇，隻有一個系統的情況會直接選擇該系統），把系統的核心加載到記憶體開始運作，同時也會初始化 RAM disk 檔案系統（initramfs）到記憶體，供核心使用，并把控制權交給核心。
Linux Kernel
核心一般都是壓縮的，是以它的首要任務是解壓縮，然後檢查和分析系統的硬體并初始化核心裡的硬體驅動程式。核心剛加載到記憶體的時候，檔案系統還不能使用，它使用的是 Boot Loader 加載金記憶體的 initramfs。 核心被加載到記憶體後首要工作是：初始化和配置機器的記憶體、處理器、儲存設備等，核心也會啟動一些使用者态的程式。
initramfs
前面提到過 boot loader 加載到記憶體的 RAM disk，也就是 initramfs，現在就詳細講一講它。initramfs 包含的一些程式和二進制檔案，會執行一系列的動作，保證 root 檔案系統 mount 到系統。這裡動作包括，為需要的檔案系統提供核心的功能，以及使用 udev（User Device） 工具來發現和加載硬碟的驅動程式。 等到 root 檔案系統找到後，它會檢查錯誤然後 mount 到系統。
mount 程式告訴作業系統某個檔案系統可以使用，并把它加載到檔案系統的某個路徑（mount point）。如果這些動作都成功的話，initramfs 就會從記憶體中清除，init 程式（位于 /sbin/init）開始執行。
/sbin/init
init 處理挂載（mount）工作，是整個的檔案系統正常運作的樞紐。需要注意的時，如果在通路儲存設備的時候，需要的硬體驅動，必須在 initramfs 階段都加載好。
到目前為止，核心程式準備好了所有的硬體資源，也把檔案系統都挂載好了。它運作了 /sbin/init 程式，也就是第一個系統程序（之前運作的程式都不是 OS 級别的，不在 OS 的管轄範圍），它的程序号(pid)就是 1。下面是我在自己的系統上運作
ps aux | grep init
的結果，第二列就是程序号：
root 1 0.0 0.0 24320 864 ? Ss Jan15 0:00 /sbin/init
第一個啟動的程式當然也肩負着比較重要的責任：把系統需要其他程式都啟動起來。傳統的 System V UNIX 工作模式下，這個過程是周遊 runlevels 序列的程式腳本，來啟動或者停止預先定義的服務（service）。除了上面那個主要的任務外，init 也負責保持系統一直運作和在 shutdown 系統的清理工作，還有使用者登入和登出的工作。
登陸和使用
前面已經說過了，init 程式負責使用者的登入和登出。如果是伺服器 linux 或者其他文本模式的 linux，init 就會啟動 getty 程式來接受使用者輸入的使用者名和密碼來驗證使用者。
如果是圖形界面的 linux， 會有 display manager 的服務負責檢測顯示屏和啟動 X-server。display manager 也負責圖形界面的使用者登陸，以及啟動正确的桌面環境。
參考資料
- edx 上 introduction to linux 的啟動章節
- 阮一峰介紹計算機啟動的文章
- wikipedia 上相關文章