x86 Linux Boot Flow（x86 Linux 開機流程）
從按下電源鍵到登入提示符，x86 架構的 Linux 開機流程跨越韌體、Bootloader、Kernel 與 Userspace 四個層次。本文整理完整流程，並涵蓋 BIOS/Legacy 與現代 UEFI 兩種路徑的差異。
整體流程概覽
Power On
│
▼
CPU Reset Vector（0xFFFFFFF0）
│
├─── Legacy ────────────────────────────────────────┐
│ │
▼ ▼
BIOS（POST） UEFI Firmware（POST）
│ │
▼ ▼
MBR Bootloader UEFI Boot Manager
│ │
▼ ▼
Stage 2 Bootloader（GRUB） EFI Application（GRUB / systemd-boot）
│ │
└────────────────────┬──────────────────────────────┘
│
▼
Linux Kernel（vmlinuz）
│
▼
initramfs / initrd
│
▼
pivot_root → 真正的 RootFS
│
▼
init（systemd / SysVinit）
│
▼
Login / Desktop
1. CPU Reset Vector
說明
x86 處理器上電或 Reset 後，CS:IP 被設置為固定位址 0xFFFF:0xFFF0（實際映射至 0xFFFFFFF0），這是 Reset Vector，CPU 從此處取第一條指令執行。
該位址映射至主機板 SPI Flash 上的韌體（BIOS 或 UEFI）。
硬體初始化背景
- CPU 初始進入 Real Mode（16-bit，只能定址 1MB）
- 多核心 CPU 只有 BSP（Bootstrap Processor） 執行開機流程
- 其他 CPU 核心（AP, Application Processor）等待被喚醒
2a. BIOS（Legacy）路徑
POST（Power-On Self Test）
BIOS 執行一系列硬體自我測試：
- 偵測並初始化 CPU、記憶體（DRAM）、晶片組
- 偵測儲存裝置（IDE / SATA / NVMe）
- 初始化 VGA 顯示
- 若有錯誤，發出 POST Beep Code
INT 13h 與 Boot Device 選擇
BIOS 遍歷啟動裝置順序（Boot Order），找到可開機裝置後：
從 Boot Device 的第一個磁區（512 bytes）讀取 MBR
│
├─ 檢查結尾是否為 Magic Number 0x55AA
│
└─ 載入至記憶體位址 0x7C00 並跳轉執行
MBR 結構（512 bytes）
┌──────────────────────────────────────┐ 偏移 0x000
│ Bootstrap Code（Stage 1） │ 446 bytes
├──────────────────────────────────────┤ 偏移 0x1BE
│ Partition Table Entry 1 │ 16 bytes
│ Partition Table Entry 2 │ 16 bytes
│ Partition Table Entry 3 │ 16 bytes
│ Partition Table Entry 4 │ 16 bytes
├──────────────────────────────────────┤ 偏移 0x1FE
│ Magic Number：0x55AA │ 2 bytes
└──────────────────────────────────────┘
MBR 限制
- 最多 4 個主要分割區
- 分割區大小最大 2TB（32-bit LBA）
- Stage 1 程式碼空間僅 446 bytes，功能極有限
2b. UEFI（現代）路徑
UEFI 概覽
UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）是 BIOS 的現代替代品，提供更豐富的功能：
| 特性 | BIOS | UEFI |
|---|---|---|
| 位元模式 | 16-bit Real Mode | 32/64-bit Protected Mode |
| 分割表 | MBR（最大 2TB） | GPT（最大 9.4ZB） |
| 安全開機 | 無 | Secure Boot |
| 開機介面 | 文字 | 圖形 UI |
| 網路開機 | 有限 | 完整支援（PXE via EFI） |
UEFI 開機流程分階段（PI 規範）
SEC（Security Phase）
│ 初始化快取作為 RAM（Cache-as-RAM），執行最早期的信任根
▼
PEI（Pre-EFI Initialization）
│ 初始化 DRAM，載入 DXE Core
▼
DXE（Driver Execution Environment）
│ 載入驅動程式（儲存、網路、顯示...），初始化所有硬體
▼
BDS（Boot Device Selection）
│ UEFI Boot Manager 讀取 NVRAM 中的 BootOrder 變數
▼
EFI Boot Application（e.g., GRUB、systemd-boot）
│ 從 ESP（EFI System Partition）中的 .efi 檔案執行
▼
OS Loader（handoff 到 Kernel）
ESP（EFI System Partition）
ESP（FAT32 分割區）
└── EFI/
├── BOOT/
│ └── BOOTX64.EFI ← 預設開機項目（Fallback）
├── ubuntu/
│ └── shimx64.efi ← Secure Boot shim
│ └── grubx64.efi
└── systemd/
└── systemd-bootx64.efi
Secure Boot
UEFI Firmware 持有 PK（Platform Key）
│
└─ 驗證 KEK（Key Exchange Key）
│
└─ 驗證 db（Allowed Signatures Database）
│
└─ 驗證 shim / Bootloader 簽章
│
└─ 驗證 Kernel 簽章
Secure Boot 確保整條啟動鏈上的每個元件都有可信任的簽章，防止 Bootkit 攻擊。
3. GRUB（GRand Unified Bootloader）
GRUB 是 Linux 最廣泛使用的 Bootloader，支援 Legacy MBR 與 UEFI 兩種模式。
GRUB 載入階段
Legacy 模式
Stage 1（MBR，446 bytes）
│ 位置有限，只夠儲存跳轉指令
▼
Stage 1.5（MBR Gap 或 Boot Partition）
│ 提供讀取檔案系統的基本驅動（ext4、XFS...）
▼
Stage 2（/boot/grub/）
│ 完整 GRUB 環境，顯示選單、讀取設定
▼
grub.cfg 解析與選單
UEFI 模式
grubx64.efi（直接從 ESP 載入）
│ 包含完整 GRUB，無需 Stage 1.5
▼
grub.cfg 解析（通常位於 /boot/grub/grub.cfg）
grub.cfg 範例
menuentry 'Ubuntu 24.04 LTS' {
insmod gzio
insmod part_gpt
insmod ext2
set root='hd0,gpt2'
linux /boot/vmlinuz-6.8.0-45-generic \
root=/dev/sda2 ro quiet splash
initrd /boot/initrd.img-6.8.0-45-generic
}
GRUB 傳遞給 Kernel 的資訊
- Kernel Image 路徑（vmlinuz）
- initrd/initramfs 路徑
- Kernel cmdline 參數（
root=、ro、quiet、console=...） - 記憶體映射表（e820 map）
4. Linux Kernel 初始化
Kernel 被載入至記憶體後開始執行，分為幾個明確的階段：
4.1 解壓縮階段（Decompression）
vmlinuz 是壓縮過的 Kernel Image，自帶解壓縮程式碼：
vmlinuz（壓縮 Image）
│ 執行頭部的解壓縮 stub
▼
vmlinux（解壓縮後的真實 Kernel ELF）
│ 位於記憶體中
▼
Kernel Entry Point（start_kernel()）
4.2 早期初始化（Arch Setup）
// arch/x86/kernel/head_64.S → init/main.c
start_kernel()
│
├─ setup_arch() // CPU 架構設定、記憶體偵測
├─ mm_init() // 記憶體管理初始化（buddy allocator、slab）
├─ sched_init() // 排程器初始化
├─ irq_init() // 中斷向量表設置
├─ time_init() // 時鐘初始化（TSC / HPET / PIT）
└─ rest_init() // 啟動 kernel threads
4.3 CPU 模式切換
Real Mode（16-bit）
│ BIOS/UEFI 期間
▼
Protected Mode（32-bit）
│ Kernel 早期初始化
▼
Long Mode（64-bit）
│ 現代 x86-64 Kernel 標準模式
▼
啟用 MMU（虛擬記憶體分頁）
4.4 重要 Kernel 子系統初始化順序
記憶體管理（Memory Management）
↓
虛擬記憶體（VMM / paging）
↓
中斷與例外處理（IRQ / IDT）
↓
處理器排程（Scheduler / CFS）
↓
計時器（jiffies / hrtimer）
↓
驅動程式核心（Driver Core / sysfs）
↓
PCI 總線掃描
↓
儲存裝置驅動（AHCI / NVMe / virtio）
↓
虛擬檔案系統（VFS）
↓
掛載 initramfs
↓
執行 /init（第一個 userspace 程序）
Kernel 參數（cmdline）常見參數
root=/dev/sda2 # RootFS 裝置
ro # 唯讀掛載 root（fsck 後重新 remount rw）
quiet # 抑制開機訊息
splash # 顯示開機動畫
console=tty0 # 主控台輸出至螢幕
console=ttyS0,115200 # 同時輸出至序列埠
init=/bin/bash # 緊急模式：直接執行 bash
single # 進入單人模式（maintenance mode）
nomodeset # 停用 KMS（顯示驅動問題時使用）
5. initramfs / initrd
為什麼需要 initramfs？
Kernel 本身不包含所有驅動程式（例如 LUKS 加密、RAID、特定 NVMe 驅動），但掛載 RootFS 前就需要這些驅動，形成「雞生蛋、蛋生雞」的問題。initramfs 是解法：在 Kernel 內建立一個暫時的 in-memory RootFS，提供必要工具後再切換至真正的 RootFS。
initramfs 結構
initramfs（cpio + gzip/zstd 壓縮）
├── bin/ ← BusyBox 等基本工具
├── sbin/
│ └── init ← 暫時的 init 腳本
├── lib/
│ └── modules/ ← 必要的 Kernel 模組（.ko）
├── etc/
└── scripts/ ← 掛載腳本（Debian 系）
initramfs 主要工作
/init（initramfs 內）
│
├─ 載入必要 Kernel 模組（insmod）
│ 例如：dm_crypt、raid1、nvme、xfs
│
├─ 解鎖 LUKS 加密磁區（若有）
│
├─ 組裝 RAID / LVM（若有）
│
├─ 執行 fsck（檔案系統檢查）
│
└─ pivot_root / switch_root
│
└─ 切換至真正的 RootFS，執行 /sbin/init
6. systemd（現代 init）
說明
現代 Linux 發行版（Ubuntu、Fedora、Debian、Arch）幾乎全面採用 systemd 作為 PID 1 的 init 系統。
啟動 Target 順序
default.target（通常指向 graphical.target 或 multi-user.target）
│
├─ graphical.target
│ ├─ multi-user.target
│ │ ├─ basic.target
│ │ │ ├─ sysinit.target
│ │ │ │ ├─ local-fs.target（掛載本地磁區）
│ │ │ │ ├─ swap.target
│ │ │ │ └─ systemd-udevd（裝置偵測）
│ │ │ └─ network.target
│ │ ├─ NetworkManager.service
│ │ ├─ sshd.service
│ │ └─ crond.service
│ └─ display-manager.service（GDM / SDDM / LightDM）
systemd 平行化啟動
systemd 的核心優勢是平行啟動：透過分析服務相依關係（After=、Requires=、Wants=），讓不相依的服務同時啟動，大幅縮短開機時間。
# 分析開機時間
systemd-analyze
systemd-analyze blame # 各服務啟動耗時
systemd-analyze critical-chain # 關鍵路徑
systemd-analyze plot > boot.svg # 視覺化圖表
7. 磁碟分割架構比較
MBR vs GPT
| 特性 | MBR | GPT |
|---|---|---|
| 最大磁碟大小 | 2 TB | 9.4 ZB |
| 最大分割區數 | 4 個主要分割區 | 128 個分割區（預設） |
| 備份分割表 | 無 | 有（磁碟尾部備份） |
| 開機方式 | BIOS / UEFI（CSM） | UEFI（推薦） |
| 識別方式 | 分割區編號 | GUID（全域唯一識別碼） |
典型 Linux 磁碟配置（UEFI + GPT）
磁碟（/dev/nvme0n1）
├── /dev/nvme0n1p1 ESP（FAT32, ~512MB） ← /boot/efi
├── /dev/nvme0n1p2 /boot（ext4, ~1GB） ← Kernel / initrd
├── /dev/nvme0n1p3 swap（或 swapfile）
└── /dev/nvme0n1p4 /（ext4 / XFS / btrfs）← RootFS
常見除錯方法
查看開機 log
# 查看 systemd 開機 log（本次開機）
journalctl -b
# 查看上次開機（崩潰或重啟後）
journalctl -b -1
# 查看 Kernel 訊息
dmesg
dmesg | grep -i "error\|fail\|warn"
dmesg --level=err,warn
# 查看開機時間分析
systemd-analyze blame
GRUB 救援模式
# 在 GRUB 選單按 'e' 編輯開機參數
# 在 kernel 行末尾加入：
init=/bin/bash # 直接進 bash（bypass init）
single # 進入單人維護模式
ro recovery # Ubuntu recovery mode
常見開機失敗原因
| 現象 | 可能原因 | 對策 |
|---|---|---|
| 黑畫面，無 GRUB | MBR/ESP 損壞，GRUB 未安裝 | GRUB rescue 或 Live CD 修復 |
| GRUB rescue 提示符 | GRUB 找不到 grub.cfg | set root=、insmod、手動 boot |
| Kernel panic: VFS mount fail | root= 參數錯誤、RootFS 損毀 | 確認 UUID/裝置名、fsck |
| initramfs 提示符 | fsck 失敗、模組缺失 | fsck -y /dev/sda1 |
| systemd 服務失敗 | 服務設定錯誤、相依未滿足 | journalctl -u <service> |
| 開機卡在某服務 | 服務 timeout | systemctl disable <service> |
BIOS vs UEFI 開機路徑對照
BIOS Legacy UEFI
─────────────────────────────────────────────────────────
Reset Vector (0xFFFFFFF0) Reset Vector (0xFFFFFFF0)
│ │
BIOS POST（Real Mode） SEC → PEI（Cache-as-RAM）
│ │
INT 13h 讀取 MBR DXE（驅動載入，Protected Mode）
│ │
GRUB Stage 1（446 bytes） BDS（BootOrder in NVRAM）
│ │
GRUB Stage 1.5（MBR Gap） GRUB / systemd-boot（.efi）
│ │
GRUB Stage 2（grub.cfg） grub.cfg（在 ESP 或 /boot）
│ │
└──────────── Linux Kernel ──────────┘
│
initramfs
│
systemd