Linux 启动与 BIOS/UEFI、GRUB2 核心知识点梳理

一、BIOS与UEFI

BIOS 与 UEFI 核心对比

二者均为计算机开机时首先运行的系统固件，UEFI 是 BIOS 的新一代替代方案，核心差异和 UEFI 优势如下：

二、Linux启动流程

现代计算机是软件与硬件的复杂组合，从接通电源开始，到可以登录到系统中，需要大量的软件和硬件的配合，我们一起来了解一下CentOS8的x86_64系统在启动过程中所涉及的任务，虚拟机的流程也是大致相同的，但是某些与硬件相关的步骤是由虚拟机的相关程序在软件中处理的。

从通电到进入登录界面，硬件 + 固件 + 系统程序的协同流程，虚拟机仅硬件相关步骤由软件模拟，其余一致：

1. 通电自检

   ：固件（BIOS/UEFI）初始化，执行 POST 开机自检，初始化基础硬件

2. 查找启动设备

   ：BIOS 按配置顺序查 MBR；UEFI 按固件配置直接识别启动设备

3. 加载启动加载器

   ：固件从启动设备读取GRUB2（CentOS8 默认 boot loader）并移交控制权

4. 加载 GRUB2 配置

   ：GRUB2 读取/boot/grub2/grub.cfg，显示内核选择菜单（可通过grub2-mkconfig生成该文件）

5. 加载内核与 initramfs

   ：选择内核 / 超时后，加载vmlinuz（内核）和initramfs（临时根文件系统，含硬件驱动 + 初始化脚本）

6. 移交控制权给内核

   ：GRUB2 完成加载，将系统控制权交给内核

7. 内核初始化

   ：内核通过 initramfs 加载硬件驱动，启动/usr/sbin/init（PID=1，CentOS8 中为systemd的软链接）

8. 启动 initrd.target 并挂载根

   ：systemd 执行initrd.target所有单元，按/etc/fstab将真实根文件系统挂载到/sysroot/

9. 切换根文件系统

   ：从临时的 initramfs 切换到/sysroot（硬盘上的真实根），重新执行磁盘上的 systemd

10. 启动默认目标

    ：systemd 启动内核命令行 / 系统配置的默认目标，进入对应登录界面（字符 / 图形）

三、运行级别切换与相关配置文件

运行级别切换

通过前面的课程我们了解到CentOS8在启动过程中需要判断对应的运行级别，在不同的运行级别中会启动不同的单元，那么运行级别如何切换呢？

在CentOS8中运行级别的设置涉及到下面几个命令

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systemctl isolate.../init [0-6]切换运行级别
systemctlget-default查看当前的默认运行级别
systemctl set-default ...设置默认的运行级别
runlevel查看之前的运行级别和当前的运行级别

运行级别对照

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[root@localhost system]# cd /usr/lib/systemd/system
[root@localhost system]# ll runlevel*.target
runlevel0.target -> poweroff.target
runlevel1.target -> rescue.target
runlevel2.target -> multi-user.target
runlevel3.target -> multi-user.target
runlevel4.target -> multi-user.target
runlevel5.target -> graphical.target
runlevel6.target -> reboot.target

所以当我们使用init [0-6]切换运行级别的时候系统执行的是systemctl isolate runlevel[0-6].target

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[root@localhost ~]# runlevel #查看运行级别
N 5
[root@localhost ~]# init 3#切换到字符界面
[root@localhost ~]# runlevel #查看运行级别
5 3
[root@localhost ~]# systemctl isolate graphical.target #切换到图形界面
[root@localhost ~]# runlevel 
3 5

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emergency.target
[root@localhost ~]# systemctl isolate emergency.target 
注意：此为紧急模式，用于紧急处理系统的错误，无法使用rescue.target时，可以尝试使用此模式。

四、Boot Loader与GRUB2

前面我们了解的CentOS8的启动流程，在这个流程中有一个叫启动加载器，也就是boot loader的工具，如果没有这个boot loader就无法加载内核。在CentOS8中使用的是启动加载器是Grub2，在了解Grub2之前，我们先聊一下boot loader

4.1、Boot Loader的两个阶段

我们知道在BIOS或者UEFI加载完成之后，会到MBR中读取boot loader，这个boot loader可以让用户选择加载的内核并且移交系统的控制权限等，而加载内核只能通过boot loader，但是boot loader在MBR中，这个MBR是硬盘的第一个扇区，一个扇区的大小是512字节，boot loader的大小只有446字节，即便是GPT磁盘也没有足够的空间存储boot loader所包含的内容，所以为了避免空间的限制，导致无法引导系统正常启动的问题，Linux将boot loader的工作过程分为了两步。

stage1 执行boot loader的主程序主程序必须安装在MBR或者是启动扇区，由于空间限制，MBR或启动扇区仅存放最小化的boot loader，并不会存放相关的配置文件

stage2 通过主程序加载配置文件通过boot loader的主程序加载所有相关的配置文件，这些配置文件中包括定义文件系统类型的和CentOS8中的grub.cfg文件，而这些文件通常都存放在/boot当中

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[root@localhost ~]# ll -F /boot/grub2/
总用量 32
-rw-r--r--. 1 root root    64 12月 13 21:50 device.map
drwxr-xr-x. 2 root root  4096 12月 13 21:50 fonts/
-rw-r--r--. 1 root root  5032 12月 13 21:50 grub.cfg
-rw-r--r--. 1 root root  1024 12月 13 21:50 grubenv
drwxr-xr-x. 2 root root 12288 12月 13 21:50 i386-pc/

device.map设备对应文件，用来帮助系统判断磁盘与设备文件的对应关系
fonts开机过程中用到的字体文件
grub.cfggrub2的主配置文件
grubenvgrub环境区块文件大小为1K，用来记录GRUB环境变量
i386-PC针对x86架构的电脑所需要的相关模块，包括电源管理支持，文件系统支持等模块

在这些文件中最重要的就是grub.cfg文件，以及文件系统支持的相关模块

4.2、GRUB2

GRUB与LILO目前为止，linux下的启动加载器有两种，一种是LILO另外一种就是GRUB，由于GRUB的功能更强大，支持的文件系统较多，所以越来越多的操作系统使用GRUB做为boot loader，CentOS从7开始使用了功能更为强大的GRUB2

GRUB2的优点

• 支持更多的文件系统
• 开机时可以手动调整启动参数
• 动态更新配置文件，修改完配置文件后不需要重新安装

GRUB2与硬盘

由于grub2的主要任务是从硬盘当中加载内核，所以grub2必须要识别硬盘，但是grub2识别硬盘的方式与linux系统识别的方式还是有些区别的。在Linux系统中，硬盘一般会被识别为类似sda1这种形式，而在grub2中硬盘会统一被识别为hd的设备，排序方式全部是用数字进行排序，而不是用字母加数字的混合形式。这么做的目的是为了定义grub2的查找内核时的顺序。如：

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hd0,1搜索第一块硬盘的第一个分区
hd0,msdos1搜索第一块MBR硬盘的第一个分区
hd0,gpt1搜索第一块GPT磁盘的第一个分区
简单来说，两个数字，第一个数字表示硬盘序号，第二个数字表示分区序号

grub2配置文件

了解了grub2中的硬盘识别方式，我们就可以了解一下grub2的配置文件了，这个文件建议各位不要随意更改

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# DO NOT EDIT THIS FILE
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# It is automatically generated by grub2-mkconfig using templates
# from /etc/grub.d and settings from /etc/default/grub
#

此部分内容提示我们不要编辑这个文件，此文件是有grub2-mkconfig命令自动建立的，相关模板与设置存放在/etc/grub.d/目录以及/etc/default/grub中，也就是说grub.cfg文件的内容会调用/etc/grub.d目录下的内容，如果需要修改的话需要调整/etc/default/grub文件

基本上grub2不希望用户去修改grub.cfg这个文件，如果需要调整的话需要通过修改其它文件并配合grub2-mkconfig命令来生成新的grub.cfg文件，但是各位还是要了解一下这个文件的大致格式

/etc/default/grub与/etc/grub.d/

在前面我们知道了grub2的配置文件是grub.cfg，但是此文件内容比较复杂，且官方不建议我们手动修改，如果需要修改的话需要通过/etc/default/grub文件以及/etc/grub.d/目录内的内容来实现，那我们一起来看一下

/etc/default/grub

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[root@localhost ~]# vim /etc/default/grub
GRUB_TIMEOUT=5定义在启动菜单默认的等待时间，单位是秒
GRUB_DISTRIBUTOR="$(sed 's, release .*$,,g' /etc/system-release)"定义获取操作系统名称的方式
GRUB_DEFAULT=saved定义开机时默认启动的项目，可以是数字，也可以是标题名称，(这个标题就是开机时看到的那个标题），还可以是saved（表示默认启动上次启动成功的操作系统）
GRUB_DISABLE_SUBMENU=true是否隐藏子菜单
GRUB_TERMINAL_OUTPUT="console"定义启动时的界面使用哪种终端输出，值包含console，serial，gfxterm，vga_text等
GRUB_CMDLINE_LINUX="resume=/dev/mapper/cl-swap rd.lvm.lv=cl/root rd.lvm.lv=cl/swap rhgb quiet"定义额外的启动参数
GRUB_DISABLE_RECOVERY="true"是否启用修复模式
GRUB_ENABLE_BLSCFG=true是否启用bootloader规范

修改完成之后需要使用
grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg,重新生成配置文件

/etc/grub.d/

00_header 设置默认参数

00_tuned 额外调整的值

01_menu_auto_hide 与菜单隐藏相关的设置

01_users 与用户相关的设置

10_linux 与内核相关的设置

20_ppc_terminfo 与终端相关的设置

20_linux_xen 与虚拟化相关的设置

30_os-prober 与操作系统检测相关

30_uefi-firmware 与UEFI启动设置相关，需要硬件支持

40_custom&41_custom 自定义设置

注：这些文件会按照数字的顺序由小到大加载