在讀Leetcode OS篇有一問題問到
what happens in the background from the time you press the Power button until the Linux login prompt appears?
簡單的說，就是從按下開機鍵到Login 畫面出現時，中間做了哪些事？
我們以Linux OS為例解析其中複雜的過程：
下面這張圖可以清楚標示開機的每一步驟
當按下開機鍵後，電腦硬體會主動的讀取 [註1]BIOS 或 UEFI BIOS 來載入硬體資訊(包含啟動螢幕、DRAM、以及鍵盤滑鼠等)及進行硬體系統的自我測試，這步驟稱為POST (Power On Self Test) ，若在硬體檢測中出現錯誤的話，則會卡在開機畫面，並在畫面中顯示哪項硬體驗證錯誤資訊，稱為beep codes。
之後[註2]BIOS將電腦控制權轉交給作業系統，作業系統將會主動的去硬碟中讀取可開機的磁區(Master Boot Record, MBR)，MBR通常存在於硬碟的第一個磁區中，約為512Bytes大小。MBR的結構如下圖所示
MBR 是整個硬碟的第一個 sector 內的一個區塊，充其量整個大小也才 512 bytes 而已。即使是 採用[註3]GPT也沒有很大的磁區來儲存 loader 的資料。bootloader 功能這麼強，光是程式碼與設定資料不可能只佔這麼一點點的容量吧？那如何安裝？
為了解決這個問題，所以 Linux 將 bootloader 的程式碼執行與設定值載入分成兩個階段 (two-stage) 來執行：
- Stage 1：執行 boot loader 主程式：
第一階段為執行 bootloader 的主程式，這個主程式必須要被安裝在開機區，亦即是 MBR 或者是 boot sector 。但如前所述，因為 MBR 實在太小了，所以，MBR 或 boot sector 通常僅安裝 bootloader 的最小主程式， 並沒有安裝 bootloader 的相關設定檔； - Stage 2：主程式載入設定檔：
第二階段為透過 bootloader 載入所有設定檔與相關的環境參數檔案 (包括檔案系統定義與主要設定檔 grub.cfg)， 一般來說，設定檔都在 /boot 底下。
MBR將開機管理程式(bootloader)載入記憶體中，[註4]開機管理程式可以讓使用者選擇要啟動哪一個作業系統，並會負責將使用者選擇的作業系統kernel與initial RAM disk載入記憶體中，最後將電腦控制權轉交給kernel。
bootloader 可以載入 kernel 與 initramfs ，然後在記憶體中讓 initramfs 解壓縮成為根目錄， kernel 就能夠藉此載入適當的驅動程式，最終釋放虛擬檔案系統，並掛載實際的根目錄檔案系統，就能夠開始後續的正常開機流程。
kernel在載入記憶體前都是被壓縮過(compressed)的，bootloader會負責解壓縮kernel後再載入進RAM中，接著kernel會檢查所有系統硬體，並啟動所有built-in在kernel中的device driver。
Linux 被載入記憶體後會以自己的功能重新偵測一次硬體，而不一定會使用 BIOS 偵測到的硬體資訊！也就是說，kernel此時才真正的開始工作。
initramfs被載入記憶體後有個很重要的工作是負責檢查並掛載(mount) root filesystem，initramfs同時也會載入file system中一些kernel的重要程式或binary files，以及掛載[註5] udev (User Device)起來。
initramfs成功mount root filesystem後就會從記憶體中功成身退(移除)，並且將電腦控制權轉交給/sbin/init (PID為1)系統內的第一支程式。
/sbin/init會啟動系統中其他user space 中的processes與daemons，所以init也被稱為 “manager of last resort”。在init啟動的眾多process中有關於使用者登入的process為getty。
Getty負責生出login process負責使用者的帳號密碼確認，一旦登入成功就會跳出command line shell，通常linux中常用的shell包含bash、tcsh、ksh…等
最後，使用者成功登入以後，若系統有安裝X-windows桌面環境，則會進入到linux桌面，其中桌面環境的設定與管理由Display Manager進行統一管理。
總結，系統開機牽扯到非常多的名詞與工具，非一言兩語就可以說完。
我盡量補充相關的名詞解釋與介紹，更詳細的說明可以查看 鳥哥的Linux私房菜。
註 1：BIOS 通常以軟體形式存放於主機板中的ROM chip上
註 2：在此過程中，系統會讀取CMOS values來延續上次關機時的日期與時間。
註 3：在安裝系統時常常會遇到MBR與GPT兩種格式上的問題，這兩種格式的差異可參考分區MBR和GPT的區別，以及我們到底選哪一種好
註 4 : 在linux上最常用的bootloader為Grub2。
註 5 : udev負責控制系統中有哪些device driver，並且正確地載入與定位device driver。 有關更多udev的介紹可以參考 Debain官方介紹的udev 與 udev維基百科
Andy's Technique Blog 