Если вам интересно узнать как загружается Linux, то эта статья для вас. Рассмотрим алгоритм загрузки Linux на компьютерах с BIOS и UEFI.
Алгоритм загрузки linux (BIOS)
BIOS
BIOS расшифровывается как Basic Input/Output System, что в переводе — Базовая Система Ввода/Вывода. Это специальная микросхема, которая находится на материнской плате компьютера.
Когда компьютер только включается, то выполняется код из микросхемы BIOS. Вначале этот код выполняет тестирование системы POST (power-on self test), этим тестированием проверяется аппаратная часть системы. А затем из всех дисков определяется загрузочный.
BIOS умеет работать только с дисками размеченными MBR способом. На первом секторе такого диска находится так называемый MBR (master boot record). Сектор диска имеет размер 512 байт. В эти 512 байт помещается маленький загрузчик и таблица разделов. Кстати, если диск не загрузочный, то вместо загрузчика там может находится код, который сообщает, что это не загрузочный диск (No bootable device).
Так вот, BIOS передает управление маленькому загрузчику из MBR на загрузочном диске.
Загрузчик MBR и GRUB 2
Код загрузчика из MBR очень маленький и он способен лишь найти и запустить следующий загрузчик.
Следующий загрузчик больше и умнее. Бывают разные загрузчики для Linux, но самым популярным является GRUB 2. Он позволяет пользователю выбрать операционную систему для загрузки. А также умеет загружать операционные системы с логических разделов. GRUB 2 расположен на разделе жесткого диска в каталоге /boot и довольно часто этот каталог выносят на отдельный раздел.
Давайте посмотрим что находится в этом каталоге на Debian:
alex@deb:~$ ls -l /boot итого 68864 -rw-r--r-- 1 root root 236056 дек 8 19:21 config-5.10.0-10-amd64 -rw-r--r-- 1 root root 236106 мар 17 18:40 config-5.10.0-13-amd64 drwxr-xr-x 5 root root 4096 апр 7 15:28 grub -rw-r--r-- 1 root root 28162067 апр 7 15:22 initrd.img-5.10.0-10-amd64 -rw-r--r-- 1 root root 28173240 апр 7 15:25 initrd.img-5.10.0-13-amd64 -rw-r--r-- 1 root root 83 дек 8 19:21 System.map-5.10.0-10-amd64 -rw-r--r-- 1 root root 83 мар 17 18:40 System.map-5.10.0-13-amd64 -rw-r--r-- 1 root root 6841280 дек 8 19:21 vmlinuz-5.10.0-10-amd64 -rw-r--r-- 1 root root 6840768 мар 17 18:40 vmlinuz-5.10.0-13-amd64
Ubuntu в этом каталоге содержит примерно тоже самое, но ядро новее:
alex@ubu:~$ ls -l /boot/ total 120420 -rw-r--r-- 1 root root 260559 мая 5 09:45 config-5.15.0-30-generic drwxr-xr-x 5 root root 4096 мая 13 07:35 grub lrwxrwxrwx 1 root root 28 мая 13 07:34 initrd.img -> initrd.img-5.15.0-30-generic -rw-r--r-- 1 root root 105732146 мая 13 07:35 initrd.img-5.15.0-30-generic lrwxrwxrwx 1 root root 28 мая 13 07:34 initrd.img.old -> initrd.img-5.15.0-30-generic -rw------- 1 root root 6241208 мая 5 09:45 System.map-5.15.0-30-generic lrwxrwxrwx 1 root root 25 мая 13 07:34 vmlinuz -> vmlinuz-5.15.0-30-generic -rw------- 1 root root 11066784 мая 5 09:46 vmlinuz-5.15.0-30-generic lrwxrwxrwx 1 root root 25 мая 13 07:34 vmlinuz.old -> vmlinuz-5.15.0-30-generic
Разберем некоторые файлы в этом каталоге. Здесь находится:
- подкаталог с загрузчиком — grub;
- ядра разных версий — файлы vmlinuz;
- архивы с временной файловой системой и утилитами необходимыми для загрузки ядра — файлы initrd.img;
- остальные файлы я рассматривать пока не буду.
После того, как GRUB 2 получил управление, он загружает ядро Linux (файл vmlinuz). При этом GRUB 2 загружает в память файловую систему из файла initrd.img. А затем запускает ядро, и при запуске, передаёт ему некие параметры, которые мы рассмотрим в следующей статье.
Вы можете спросить, зачем вообще нужен образ корневой файловой системы с утилитами initrd.img? Он необходим, потому что, когда GRUB 2 начинает загружать систему корневая файловая система еще не смонтирована. Поэтому GRUB 2 использует initrd как временную корневую файловую систему, которая загружается из файла в оперативную память.
Initrd — представляет собой файл, содержащий загружаемые модули ядра и минимальный набор утилит для загрузки этих модулей. Он сжимается и загружается в оперативную память с помощью загрузчика. Ядро получает доступ к нему, как если бы была установлена файловая система.
Вы можете использовать команду lsinitramfs чтобы перечислить содержимое файла initrd.img.
Вот пример для Debian:
alex@deb:~$ lsinitramfs -l /boot/initrd.img-5.10.0-13-amd64 | head -n 20 drwxr-xr-x 7 root root 0 Apr 7 15:25 . lrwxrwxrwx 1 root root 7 Apr 7 15:25 bin -> usr/bin drwxr-xr-x 3 root root 0 Apr 7 15:25 conf -rw-r--r-- 1 root root 16 Apr 7 15:25 conf/arch.conf drwxr-xr-x 2 root root 0 Apr 7 15:25 conf/conf.d -rw-r--r-- 1 root root 49 Apr 7 15:22 conf/conf.d/resume -rw-r--r-- 1 root root 1365 Jan 14 2021 conf/initramfs.conf drwxr-xr-x 5 root root 0 Apr 7 15:25 etc -rw-r--r-- 1 root root 0 Apr 7 15:25 etc/fstab -rw-r--r-- 1 root root 1622 Apr 7 15:25 etc/ld.so.cache -rw-r--r-- 1 root root 34 Jul 29 2019 etc/ld.so.conf drwxr-xr-x 2 root root 0 Apr 7 15:25 etc/ld.so.conf.d -rw-r--r-- 1 root root 44 Jul 29 2019 etc/ld.so.conf.d/libc.conf -rw-r--r-- 1 root root 100 Oct 2 2021 etc/ld.so.conf.d/x86_64-linux-gnu.conf drwxr-xr-x 2 root root 0 Apr 7 15:25 etc/modprobe.d lrwxrwxrwx 1 root root 12 Apr 7 15:25 etc/mtab -> /proc/mounts drwxr-xr-x 2 root root 0 Apr 7 15:25 etc/udev -rw-r--r-- 1 root root 305 Feb 2 2021 etc/udev/udev.conf -rwxr-xr-x 1 root root 6301 Jan 14 2021 init lrwxrwxrwx 1 root root 7 Apr 7 15:25 lib -> usr/lib
А вот пример для Ubuntu:
alex@ubu:~$ lsinitramfs -l /boot/initrd.img | head -n 20 drwxr-xr-x 3 root root 0 Dec 18 2019 . drwxr-xr-x 3 root root 0 Dec 18 2019 kernel drwxr-xr-x 3 root root 0 Dec 18 2019 kernel/x86 drwxr-xr-x 2 root root 0 Dec 18 2019 kernel/x86/microcode -rw-r--r-- 1 root root 30546 Dec 18 2019 kernel/x86/microcode/AuthenticAMD.bin drwxr-xr-x 2 root root 0 Apr 25 2021 kernel drwxr-xr-x 2 root root 0 Apr 25 2021 kernel/x86 drwxr-xr-x 2 root root 0 Apr 25 2021 kernel/x86/microcode drwxr-xr-x 2 root root 0 Apr 25 2021 kernel/x86/microcode/.enuineIntel.align.0123456789abc -rw-r--r-- 1 root root 4609024 Apr 25 2021 kernel/x86/microcode/GenuineIntel.bin drwxr-xr-x 9 root root 0 May 13 07:35 . -rw-r--r-- 1 root root 4096 May 13 07:35 .random-seed lrwxrwxrwx 1 root root 7 May 13 07:34 bin -> usr/bin drwxr-xr-x 3 root root 0 May 13 07:35 conf -rw-r--r-- 1 root root 16 May 13 07:34 conf/arch.conf drwxr-xr-x 2 root root 0 May 13 07:34 conf/conf.d -rw-r--r-- 1 root root 1284 Feb 8 19:54 conf/initramfs.conf -rw-r--r-- 1 root root 64 May 13 07:35 conf/modules drwxr-xr-x 2 root root 0 May 13 07:34 cryptroot -rw-r--r-- 1 root root 0 May 13 07:34 cryptroot/crypttab
Ядро Linux и процесс инициализации
Ядро при запуске использует временную файловую систему из файла initrd.img для того чтобы загрузиться полностью.
А дальше ядро запускает процесс инициализации операционной системы. Процесс инициализации является первым процессом в системе, так как ядро запускалось не как процесс. Каким именно будет процесс инициализации зависит от используемой системы инициализации. Существуют разные системы инициализации, но в Debian 11 и Ubuntu 22.04 используется система инициализации под названием SystemD.
То есть, первым процессом при запуске этих двух систем является systemd. Чтобы это проверить выполним следующие две команды, которые на обоих системах выполняются одинаково:
alex@deb:~$ ps -p 1
PID TTY TIME CMD
1 ? 00:00:01 systemd
alex@deb:~$ ls -l /sbin/init
lrwxrwxrwx 1 root root 20 июл 13 20:29 /sbin/init -> /lib/systemd/systemd
Первой командой мы смотрим, какой процесс в системе работает под номером 1 — это systemd. Второй командой смотрим на что ссылается файл, который традиционно считается файлом системы инициализации — а ссылается он на /lib/systemd/systemd.
И наконец, система инициализации запускает все остальные процессы в системе.
Итог по загрузке с BIOS
Алгоритм загрузки linux (UEFI)
Сейчас на смену BIOS пришёл UEFI (Unified Extensible Firmware Interface). UEFI содержит множество преимуществ перед BIOS, одна из которых это поддержка GPT.
Раньше диски разбивались на разделы с помощью MBR, при этом 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. А GPT позволяет использовать очень большие диски и помещает загрузчик на специальный раздел, а также позволяет создавать очень много разделов.
Диск разбитый на разделы с помощью таблицы разделов GPT в первом секторе продолжает хранить MBR запись. Это делается для того, чтобы старые системы с BIOS могли использовать GPT диски.
UEFI не использует загрузчик из MBR, вместо этого используется загрузчик со специального раздела на диске, который отформатирован в FAT32 и называется ESP или EFI. Это специальный загрузчик от UEFI. Обычно это файл /efi/boot/bootx64.efi.
Secure Boot
UEFI имеет специальный режим, который называется Secure Boot. Если этот режим включен, то загрузчик без специальной подписи не будет работать. Windows и некоторые системы Linux имеют такие подписи, а для других систем приходится этот режим отключать.
Или можно не отключать Secure Boot, а просто очистить ключи производителя и добавить туда ключи от необходимого загрузчика. Например в Ubuntu — GRUB 2 подписан подписью от Canonical, именно эту подпись и следует добавить в Secure Boot.
Дальнейшая загрузка
А дальше все происходит также как и в системах с BIOS. Загрузчик запускает GRUB 2, хотя может сразу запустить и ядро Linux, но тогда мы теряем гибкость GRUB 2.
GRUB 2 в свою очередь запускает ядро Linux. Дальше ядро запускает систему инициализации. А уже система инициализации запускает все остальные процессы в системе.
Итог по загрузке с UEFI
Немного про GRUB 2
GRUB 2 в настоящее время является основным загрузчиком для большинства систем Linux. Он позволяет запустить не только ядро Linux, но и Windows систему. Он имеет собственную командную строку с помощью которой можно, например устранить некоторые ошибки при загрузки.
Существует две версии загрузчика GRUB 2: для BIOS и для UEFI. Но для UEFI он не имеет цифровой подписи для режима Secure Boot.
Ubuntu, кстати, поддерживает Secure Boot. Для этого используется загрузчик Shim подписанный подписью от Microsoft. И этот загрузчик запускает GRUB 2, который подписан цифровой подписью от Canonical.
Взаимодействуя с GRUB 2 при старте системы вы можете выбрать, какую из возможных конфигураций загрузить или изменить:
Когда отображается меню, вы можете нажать:
- «Enter» — чтобы немедленно загрузить выбранную строку меню;
- любую другую клавишу — чтобы остановить тайм-аут;
- «e» — чтобы отредактировать запись;
- «c» — чтобы войти в командную строку GRUB2.
Если ваш тайм-аут установлен на 0, то GRUB 2 немедленно загружает систему не показывая подобное меню.
На следующем уроке подробнее разберём загрузчик GRUB 2.
Спасибо за интересные статьи, написано очень доступным языком.