Linux 系統啟動流程與初始化深度剖析（BIOS → GRUB → Kernel → init）

整體啟動流程概覽

1. POST（Power-On Self-Test）加電自檢
2. BIOS/UEFI 初始化硬體、選擇啟動裝置
3. MBR/GPT 讀取 Bootloader（GRUB）
4. GRUB 載入 Kernel 與 initramfs/initrd
5. Kernel 初始化硬體、掛載根檔案系統
6. initramfs/initrd 提供臨時根環境、載入必要驅動
7. /sbin/init (PID 1) 啟動用戶空間服務（Systemd/SysVinit）

階段一：POST 與 BIOS/UEFI

• POST：CPU、記憶體、主機板、顯卡、儲存裝置等硬體自檢。嚴重錯誤直接停機（無畫面、蜂鳴器報警）；非嚴重錯誤顯示提示等待處理。
• BIOS/UEFI：讀取 CMOS 設定（啟動順序、硬體參數、時間等），依序嘗試啟動裝置（硬碟、USB、PXE 等）。

階段二：MBR 與 GRUB

MBR（Master Boot Record）

• 位於啟動磁碟第 0 磁區前 446 Bytes，存放 GRUB Stage 1 代碼。
• Stage 1 體積極小，僅負責定位並載入 Stage 1.5 或 Stage 2。

GRUB 多階段載入

1. Stage 1：MBR 代碼，跳轉到 Stage 1.5 或 Stage 2。
2. Stage 1.5（可選）：位於 MBR 後的間隙，包含檔案系統驅動（ext2/3/4、xfs、btrfs 等），能讀取 /boot/grub/ 目錄。
3. Stage 2：核心模組，位於 /boot/grub2/（GRUB2）或 /boot/grub/（GRUB Legacy），載入 grub.cfg 選單、模組、主題等。

關鍵檔案： /boot/grub2/grub.cfg（由 grub2-mkconfig 依 /etc/default/grub 及 /etc/grub.d/ 腳本生成）。

階段三：Kernel 初始化

1. 解壓縮 Kernel 映像（vmlinuz-*）至記憶體。
2. 初始化硬體子系統：CPU、記憶體管理、中斷、時鐘、PCI、USB、網路、區塊裝置等。
3. 載入 initramfs/initrd（壓縮的 cpio 歸檔）至記憶體，掛載為臨時根檔案系統（/）。
4. 執行 /init（initramfs 內的啟動腳本）：
   • 載入根檔案系統所需驅動（RAID、LVM、加密、檔案系統模組）。
   • 掛載真正的根檔案系統（root=UUID=... 或 root=/dev/sda2）至 /sysroot。
   • 執行 switch_root 切換根環境，啟動 /sbin/init。

為何需要 initramfs？ 解決「雞生蛋、蛋生雞」：Kernel 需驅動才能讀取根分區，但驅動在根分區上。initramfs 提供最小環境載入驅動並掛載真根。

階段四：init (PID 1) 與用戶空間啟動

Systemd（現代主流）

• 並行啟動服務，依賴關係由 Unit 檔描述（.service, .target, .socket 等）。
• 預設目標 default.target 通常指向 graphical.target 或 multi-user.target。
• 關鍵指令：systemctl, journalctl, systemd-analyze。

SysVinit（傳統）

• 讀取 /etc/inittab 獲取預設運行級別（id:3:initdefault:）。
• 依序執行 /etc/rc.d/rc*.d/ 下的 S* 啟動腳本、K* 停止腳本。
• 服務管理：service, chkconfig。

/boot 目錄關鍵檔案清單

常見啟動故障與排查入口

• GRUB 選單不見/損壞：LiveCD 掛載根分區，grub2-install /dev/sdX 重裝；grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg 重建配置。
• Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount root fs：initramfs 缺少驅動、root= 參數錯誤、根分區損壞。重建 initramfs：dracut -f 或 mkinitrd。
• 進入 emergency mode：/etc/fstab 掛載項錯誤、磁碟故障。檢查 journalctl -xb、修正 fstab 或 fsck。
• 服務啟動失敗：systemctl status 、journalctl -u 查看詳情。

總結

Linux 啟動是「硬體 → 固件 → Bootloader → Kernel → 臨時根 → 真根 → PID 1 → 服務」的層層遞進。理解各階段職責、關鍵檔案與常見故障點，是系統管理員排查開機問題、優化啟動速度、構建安全啟動鏈的基石。