Linux 開機啟動流程五階段深度解析：從 BIOS 到 systemd

按下電源鍵到登入畫面，Linux 經歷了什麼？本文將啟動流程拆解為五大階段，並對應現代 systemd 架構說明，幫助你從核心視角理解系統初始化。

階段一：BIOS/UEFI 加電自檢 (POST)

• 檢測 CPU、記憶體、磁碟、顯示卡等硬體。
• 依 CMOS 設定的啟動順序尋找可開機裝置（HDD、USB、光碟、PXE）。
• UEFI 會讀取 ESP 分區的 .efi 檔案；Legacy BIOS 讀取 MBR 前 512 Bytes。

階段二：載入主開機記錄 (MBR) / UEFI Bootloader

• MBR (512 Bytes)： 446 Bytes 開機碼 + 64 Bytes 分區表 + 2 Bytes 結束標誌 (0x55AA)。
• 任務：掃描分區表找出 Active 分區，載入該分區的 次開機載入程式 至記憶體執行。
• UEFI： 直接從 ESP 分區載入 grubx64.efi 或 shimx64.efi (Secure Boot)。

階段三：載入次開機載入程式 — GRUB2

• GRUB2 為模組化設計，核心 core.img 載入後讀取 /boot/grub2/grub.cfg (或 /boot/efi/EFI/.../grub.cfg)。
• 呈現圖形/文字選單，讓使用者選擇核心版本、啟動參數、救援模式等。
• 支援 chainloader 呼叫 Windows Boot Manager 實現多重開機。

階段四：Linux 核心初始化

1. 解壓核心映像 (vmlinuz) 至記憶體。
2. 硬體偵測與驅動載入：PCI 總線掃描、裝置樹解析、模組自動載入。
3. 初始化虛擬檔案系統：devtmpfs、sysfs、procfs。
4. 啟動 LVM/RAID：掃描並啟用邏輯卷與陣列。
5. 掛載根檔案系統：依 root= 參數或 initrd/initramfs 中的腳本掛載 / (read-only)。
6. 啟動 init (PID 1)：傳統 SysV init 或現代 systemd。

initramfs 關鍵角色

包含核心模組、udev、LVM/RAID/加密工具、掛載根裝置腳本。若根裝置在 LVM/RAID/加密/網路儲存上，沒有 initramfs 就無法掛載根檔案系統。

階段五：init / systemd 系統初始化

傳統 SysV init

/etc/rc.d/rc.sysinit  →  設定環境、網路、swap、檢查/掛載檔案系統
/etc/rc.d/rc.d/    →  依運行等級啟動/停止服務腳本 (Sxx/Kxx)

現代 systemd (主流發行版預設)

• 並行啟動服務，大幅縮短開機時間。
• 以 Unit 為單位管理：.service, .socket, .target, .mount…
• default.target (通常連結 graphical.target 或 multi-user.target) 為啟動終點。
• 關鍵指令：systemctl, journalctl, systemd-analyze。

Swap 空間補充說明

類似 Windows 虛擬記憶體。當實體記憶體不足，核心將較少使用的記憶體頁面換出至 Swap 分區/檔案。建議：
• 記憶體 ≤ 8GB：Swap = 1~2× RAM
• 記憶體 > 8GB：Swap = 8~16 GB
• 需休眠功能：Swap ≥ RAM

流程總覽圖

BIOS/UEFI POST
      ↓
MBR / ESP (Bootloader)
      ↓
GRUB2 (選單、參數)
      ↓
Linux Kernel + initramfs
      ↓
掛載根檔案系統 (ro)
      ↓
systemd (PID 1) → 並行啟動服務 → 登入畫面