[Linux] 시스템 부팅 과정

과정 요약: 전원 ON → BIOS/UEFI → 부트로더 실행 → Linux Kernel → init/systemd → GUI/CLI 실행

 

BIOS/UEFI 실행

CPU는 컴퓨터 전원이 켜지면 Reset Vector에 따라 해당 코드를 읽는다. 이 Reset Vector은 CPU가 반드시 처음 읽는 주소로, 펌웨어를 실행하는 코드이다. 따라서 CPU는 전원이 켜지면 가장 먼저 메인보드에 박혀있는 BIOS/UEFI를 읽게 된다.

 

펌웨어
하드웨어가 동작하도록 해주는 하드웨어에 내장된 작은 소프트웨어. BIOS/UEFI는 메인보드 칩에 내장되어 있다.

 

Power On Self Test 실행

BIOS/UEFI는 자기 코드 안에서 POST를 실행한다. 펌웨어(BIOS/UEFI)는 실행되자마자 내부적으로 POST를 실행해 시스템의 기본 하드웨어가 정상적으로 동작하는지 검사한다. 여기서 POST란 Power-on-self-test로, 다음과 같은 검사들이 이뤄진다.

• CPU가 정상적으로 동작하는지
• RAM이 올바르게 장착되고 읽기/쓰기가 가능한지
• 메인보드 칩셋이 오류없이 작동하는지
• 키보드, 그래픽 카드 등 기본 장치들이 문제 없는지
• BIOS 자체 코드 무결성 검사

이 과정을 통해 BIOS/UEFI는 운영체제를 불러올 준비가 가능한 최소한의 하드웨어 환경을 검사한다.

 

부팅 디바이스 탐색

POST 검사가 끝나면 BIOS/UEFI는 OS를 실행할 부팅 디바이스를 탐색한다. 여기서 말하는 부팅 디바이스에는 SSD, HDD, USB 메모리, DVD, CD-ROM 등이 있다.

BIOS/UEFI 안에 이런 부팅 순서 리스트가 있는데, 이 순서대로 장치를 하나씩 검사하면서 부팅할 수 있는지 확인한다.

 

부팅 가능한 장치란?
BIOS용이라면 유효한 MBR, 부트 코드가 있고 UEFI용이라면 EFI System Partition, .efi 부트로더 파일이 있다는 것을 뜻한다. 그 코드를 실행하면 OS 커널까지 이어지는 경로가 있어야 한다.
USB에 OS를 설치할 때 Rufus를 쓰는 이유가 바로 이와 같다..!
Rufus는 USB에 MBR/GPT 구조를 만들고 EFI 파티션을 생성하고 부트로더 파일을 넣고 OS 설치 파일을 복사한다.. 즉 USB를 OS로 부팅 가능한 장치로 변환해주는 작업을 해준다.

 

부트로더 실행

부팅 가능한 장치를 찾았으면, BIOS/UEFI는 해당 장치 안에 있는 부트로더를 실행한다. 부트로더는 운영체제를 올리기 위한 준비 프로그램으로, 디스크 안에 있는 부팅용 코드 또는 실행 파일의 형태로 존재한다.
이 코드를 실행하면 운영체제가 올라갈 수 있도록 커널의 위치를 찾고 로드할 준비를 한다.

펌웨어(BIOS/UEFI)의 목적이 부팅 가능한 장치를 찾는 것이라면, 부트로더의 목적은 운영체제를 실행할 수 있도록 커널을 불러오는 것이다.

 

GRUB (GRand Unified Bootloader)

GRUB은 Linux 계열 운영체제에서 사용하는 부트로더의 이름이다. (Windows는 Windows Boot Manager, macOS는 자체 부트로더를 사용함)
GRUB이 하는 역할은 다음과 같다.

• 커널 파일 찾기: /boot/vmlinuz-*... 과 같은 리눅스 커널 바이너리 파일을 찾는다.
• initramfs 로드: 초기 부팅에 필요한 드라이버/파일시스템 모듈을 담은 임시 루트 파일 시스템을 RAM에 올린다.
• 커널 로드 & 제어 넘김: GRUB은 커널 바이너리인 vmlinuz 파일을 디스크에서 읽어 RAM에 올리고 CPU 제어권을 커널에게 넘긴다. 이후부터 실제 리눅스 커널이 부팅을 시작하며 하드웨어 초기화, 메모리 관리, 장치 드라이버 로딩, 파일 시스템 마운트, systemd 실행(PID 1) 등을 진행한다.

실제로 boot 폴더에 들어가면 해당 바이너리 파일들이 존재하는 것을 볼 수 있다.

 

 

로드된 커널 실행

GRUB이 커널 바이너리를 RAM에 적재하고 제어권을 넘기면, 리눅스 커널이 직접 부팅 과정을 진행한다.
커널은 다음과 같은 순서로 시스템을 초기화한다.

• 커널 코드 실행
  로드된 커널 파일이 실행되면 커널은 가장 먼저 자체 초기화를 수행한다. 이 시점부터 부팅 메시지들이 콘솔에 출력되며, dmesg 버퍼에도 기록된다.
• 하드웨어 감지 및 로그 출력
  커널은 시스템의 주요 구성 요소(CPU, 메모리 정보/ PCI Bus, 감지된 장치 초기화 등)를 확인하며 이 모든 과정은 dmesg 명령어로 확인 가능하다.
• swapper 프로세스 (PID 0) 생성
  PID 0은 커널 내부 프로세스에 존재하는 특수 태스크이다. 
• Root File System을 찾아 읽기 전용으로 마운트하여 로드
• Root File System을 RW 모드로 재마운트
• Init 프로세스 실행 (PID 1)

 

systemd 초기화 및 서비스 시작

systemd (PID 1 프로세스)가 실행되어 기본 서비스를 로드한다.
이 과정이 완료되면 CLI 혹은 GUI가 실행되어 사용자가 보는 리눅스 환경이 나타난다.