# Linux 安裝與開機流程

## Linux 開機流程

了解你的/boot資料夾底下都有些什麼東西

1. BIOS / UEFI
2. MBR / GPT
3. GRUB
4. initramfs / initrd
5. vmlinuz
6. systemd

- 古代是 BIOS。現代幾乎都是 UEFI。但UEFI也可以設定為legacy mode用BIOS方式開機
- BIOS 和 UEFI 都是燒在主板上的程式
- 它們功能類似，但實際上是不同的程式
- 硬碟分割區表可分為 MBR和GPT。古代都是MBR，現在都用GPT。
- 必須有 UEFI 才能使用 GPT
- GPT 支援超過 2T 的硬碟
- BIOS 只支援 MBR
- kernel 載入成功後會把系統控制權轉交給init，這又可能分成多種init系統
- sysv (經典口味)
- openrc (gentoo預設)
- systemd (目前最流行的)


https://wiki.gentoo.org/wiki/Comparison_of_init_systems

https://systemd-book.junmajinlong.com/systemd_bootup.html

## BIOS & UEFI

### UEFI

UEFI（**Unified Extensible Firmware Interface, 統一可延伸韌體介面**）是一種取代傳統 BIOS（Basic Input/Output System）的新一代韌體介面，它在計算機開機時負責初始化硬件並啟動作業系統。UEFI 被廣泛應用於現代個人電腦和伺服器，它帶來了一些重要的優勢，包括更快的啟動速度、更大的硬碟支援、更好的安全性等。

### UEFI 的優勢

UEFI 相對於傳統 BIOS 具有許多優勢，包括：

1. **更快的啟動速度：** UEFI 可以啟動作業系統更快，因為它支援並行初始化硬體，而不是像 BIOS 那樣逐個設備初始化。
2. **大容量硬碟支援：** UEFI 支援大容量硬碟，可以處理超過 2TB 的硬碟，而傳統 BIOS 則有容量限制。
3. **圖形使用者界面（GUI）：** 大多數 UEFI 韌體提供圖形用戶界面，使用戶能夠更輕鬆地進行設置和配置。
4. **網路支援：** UEFI 支援網路協議，允許遠程管理和網路引導。
5. **安全性增強：** UEFI 提供了安全引導功能，可以防止惡意軟體在開機過程中啟動，提高系統安全性。

### BIOS

BIOS（**Basic Input/Output System**）是一種韌體（firmware）介面，位於個人電腦主機板上，負責初始化硬體並啟動作業系統。BIOS 是電腦啟動過程的一個關鍵組件，它包含了許多低級硬體控制和配置的信息。

### BIOS 限制

1. **容量限制**： BIOS 記憶體晶片的容量有限，導致它只能存儲有限的啟動程序和配置信息。
2. **啟動速度**： 傳統 BIOS 啟動過程相對較慢，因為它在初始化硬體時是單一線程的。
3. **兼容性問題**： 舊的 BIOS 硬體和軟體可能不兼容現代需求，例如大容量硬碟或新的作業系統。

### CSM

**Compatibility Support Module, 相容性支援模組**。

CSM 是在 UEFI 淘汰掉 BIOS 中的過度功能，模擬傳統的 BIOS，也就是在 UEFI 架構下，透過 CSM 模擬 BIOS 來相容只支援 BIOS 開機的裝置，也稱為 Legacy 模式、LegacyMode、Legacy BIOS。

- 在 UEFI 架構下:
- UEFI $\rightarrow$ Disable CSM
- BIOS $\rightarrow$ UEFI + CSM

## GPT & MBR

GPT（**GUID Partition Table**）和 MBR（**Master Boot Record**）都是用於管理硬碟分割的不同方式。它們決定了如何將硬碟分成多個分割區，以便存儲不同的數據和操作系統。

安裝作業系統、在分割硬碟時，需要指定使用 GPT 作為 partition table，系統才會正確的使用 GPT 開機。

### GPT

GPT 硬碟可支援到 18ET，可分割 128 磁區 (128 個 C,D,E 槽)。
所以 GPT 即是 EFI 的標準，用來替代以 MBR 開機的 BIOS，並且 **UEFI 只能裝在 GPT 上**。

#### ESP

https://zh.wikipedia.org/zh-tw/EFI%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E5%88%86%E5%8C%BA

### MBR

MBR 硬碟支援到 2TB，最多可分個 4 個主要磁區(4 個 C,D,E 槽)。

## GRUB

GRUB 是 [GNU Project](https://www.gnu.org/home.zh-tw.html) 中的一個 boot loader
- 允許電腦中同時存在多個作業系統
- 並且在啟動時可以選擇要啟動哪一個作業系統
- 也可以選擇要啟動哪個 kernel 或 initd
- 動態的對 GRUB 進行設定
- 使用者選擇要啟動的 kernel 後，GRUB 會把 kernel 載入到記憶體，並將控制權交給 kernel

### 進入 GRUB 選單

- 大部分發行版都使用 GRUB，並且在安裝 OS 時就會 GRUB
- 如果有多個 OS 開機時就會自動進入 GRUB 選單
- 但如果系統中只有一個 OS，預設不會進入 GRUB 選單
- 類似進入 BIOS 或 UEFI 的介面，在開機時按著鍵盤中的特定按鍵可以打開 GRUB 的介面
- BIOS: 按著 <kbd>Shift</kbd>
- UEFI: 按著 <kbd>F4</kbd>


:::info
**修改 GRUB 設定檔**
- GRUB 設定檔是 */etc/default/grub*
- 加入以下設定，可以強制進入 GRUB 選單

    GRUB_TIMEOUT_STYLE=menu
    GRUB_TIMEOUT=1

- `GRUB_TIMEOUT_STYLE` 設定是否顯示選單
- `menu`: 顯示
- `hidden`: 不顯示
- `GRUB_TIMEOUT` 設定等待使用者幾秒，超過該時間會執行預設的動作
- 修改檔案後，執行下面指令啟用新的設定

    grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

:::

### 手動安裝 GRUB

通常 Linux 的發行版都有包含 GRUB，所以手動安裝的情況通常是
- 使用沒有包含 GRUB 的發行版
- 例如 Gentoo
- 為了修復 GRUB 需要重新安裝

#### UEFI with GPT

可以參考[GRUB - Gentoo Wiki / UEFI_with_GPT](https://wiki.gentoo.org/wiki/GRUB#UEFI_with_GPT)中的描述。

##### partitioning

你必須使用GPT分割表，並分割出ESP分割區。將其mount到/boot底下。

##### installing

首先你必須mount /boot，這是考慮到fstab中可能不會將其預設會在開機時mount。

grub-install 複製 GRUB 和相關檔案到 /boot/grub 底下。並將 bootloader image 複製到 /boot/EFI/gentoo/grubx64.efi, 最後呼叫 [efibootmgr](https://linux.die.net/man/8/efibootmgr) 新增開機選項

root #grub-install --efi-directory=/boot

由於UEFI預設會尋找/boot/efi/EFI/BOOT/BOOTX64.efi，因此你也可以使用`--removable`選項，將安裝路徑修改為上述路徑，而非grubx64.efi

## vmlinuz

vmlinuz 是包含 linux kernel、靜態連結的執行檔案，通常經過壓縮
- 被 Boot loader 載入
- 位於 */boot/vmlinuz*

在編譯kernel時最後的成品就是vmlinuz，可以參考[Kernel/Configuration](https://wiki.gentoo.org/wiki/Kernel/Configuration#Setup)的描述。

## initramfs / initrd

initramfs (Initial RAM File System) 和 initrd （Initial RAM Disk） 都是啟動 Linux 時使用的系統檔案，在 mount 根目錄前會被載入到記憶體中，變成暫時的記憶體檔案系統
- initrd 是早期使用的
- initramfs 是近代 Linux 上常用的

包含暫時的檔案系統和一些必要工具及檔案，用於進行初始化根目錄的前置工作
- 檔案系統初始化成可以被 kernel 使用的狀態
- 例如載入必要的 driver、kernel module ...

兩者在原理和結構上不相同
- initrd 是被壓縮的 image，會占用較多記憶體
- initramfs 是一組被封裝過的檔案，占用較少記憶體

我們通常使用[dracut](https://wiki.gentoo.org/wiki/Dracut)來自行製作一個initramfs。可以發現它允許你設定新增一些模組並在製作時添加到initramfs檔案中。當缺少所需的模組時會導致開機時無法找到或讀取rootfs來執行後續開機流程。

## systemd

systemd （system daemon，系統守護程序）是現代常用的一種 init-system，會在背景中持續執行
- 用於啟動、管理、監控系統中的所有服務
- 包含以下特性
- 支援平行啟動，可以加快啟動的速度
- 可以管理 dependency，確保所有服務可以正常啟動

### Systemctl

Systemd 的主要指令，可以透過指令管理服務

- 啟動服務

    systemctl start <service>

- 服務會開始運作，但是下次開機不會自動啟動
- 停止服務

    systemctl stop <service>

- 啟用服務

    systemctl enable <service>

- 服務不會馬上開始執行，但之後服務會在開機後就啟動
- 停用服務

    systemctl disable <service>

- 查看服務的狀態

    systemctl status <service>

- 查看服務是否運作中、已啟動或是啟動失敗

    systemctl is-active <service>
    
    systemctl is-enabled <service>
    
    systemctl is-failed <service>

[Systemd 服務管理基本教學](https://blog.gtwang.org/linux/linux-basic-systemctl-systemd-service-unit-tutorial-examples/)

## 一些可能遇到的問題

1. 開機顯示not bootable device, press any key to continue
2. `/etc/default/grub` 提供的選項是什麼用意
3. grub指令 `grub-install --efi-directory=/boot` `grub-install /dev/sda` 做了什麼事 什麼時候需要這個指令
4. grub指令 `grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg` 的作用又是什麼 如果沒有/boot/grub資料夾該怎麼辦
5. 遇到 press ESC to skip startup.ush or ...(後面我不記得)的解決辦法
- 確定 BIOS 開機硬碟是否正確
- 虛擬機遇到時，須將開機硬碟轉為虛擬機 ISO 硬碟
- 硬碟有可能損壞
- [name=白兔]