Il Processo di Avvio di un Sistema GNU/Linux: Dalla Scheda Madre al Sistema Operativo

Il processo di avvio di un computer (boot o bootstrap, o più raramente booting)) è una sequenza ben definita di operazioni che trasformano una macchina spenta in un sistema completamente operativo. Questo percorso può essere suddiviso in 2 macro-fasi principali:

La fase gestita dal firmware della scheda madre (BIOS/UEFI)
La fase gestita dal software sul supporto di avvio (bootloader, kernel e init)

Per semplificare la memorizzazione di questi passaggi, esiste un acronimo mnemonico: BGKI (BIOS, GRUB, Kernel, Init). Analizziamo ogni fase nel dettaglio.

B – BIOS/UEFI: Il Firmware della Scheda Madre

Il BIOS (Basic Input/Output System) e il suo successore UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) sono i primi software eseguiti all’accensione del computer. Questi firmware, memorizzati in un chip sulla scheda madre, hanno il compito di inizializzare l’hardware e prepararlo per il caricamento del sistema operativo. Entrambi presentano:

Una componente fissa, costituita dal codice eseguibile responsabile dell’avvio del sistema.
Una componente variabile, utilizzata per memorizzare le impostazioni di configurazione.

Nel BIOS, le impostazioni vengono archiviate in un chip CMOS, mentre nell’UEFI, vengono salvate in una memoria NVRAM, garantendo una gestione più avanzata e flessibile dei dati di avvio. Il codice eseguibile responsabile dell’avvio del sistema esegue le seguenti operazioni:

1. POST (Power-On Self-Test)

Verifica la presenza e il corretto funzionamento dei componenti hardware fondamentali:
CPU (unità di elaborazione centrale)
RAM (memoria ad accesso casuale)
Dispositivi di archiviazione (dischi SSD, HDD, schede SD, ecc.)
Periferiche di base (tastiera, monitor)
Se un componente critico non funziona, il BIOS/UEFI emette un segnale acustico (beep code) o un messaggio di errore.

2. Individuazione del Dispositivo di Avvio

Consulta l’ordine di avvio (boot order) configurato nel firmware.
Cerca un dispositivo avviabile (hard disk, USB, CD/DVD, rete).
Se trova un disco valido, legge i primi 512 byte del settore di avvio (MBR o GPT).

3. Caricamento del Bootloader

MBR (Master Boot Record): Vecchio standard, supporta solo dischi fino a 2 TB. Il BIOS ricerca il codice di avvio nel MBR (Master Boot Record) ovvero nel primo settore (primi 512 byte) del disco configurato come dispositivo di avvio principale. Se trova un MBR valido, avvia il bootloader.
GPT (GUID Partition Table): Standard moderno, supporta dischi più grandi e più partizioni. L’UEFI non utilizza il MBR, ma cerca un file di avvio all’interno della EFI System Partition (ESP – una partizione FAT32 riservata per i file di avvio), normalmente situato in /EFI/BOOT/ con estensione .efi.
Sia il BIOS che l’UEFI caricano il bootloader (come GRUB) e gli passano il controllo, permettendo di avviare il sistema operativo scelto.

G – GRUB: Il Bootloader

GRUB (GRand Unified Bootloader) è il bootloader più diffuso nei sistemi GNU/Linux, ma esistono anche alternative come gli storici LILO (LInux LOader) e Syslinux o i moderni systemd-boot e rEFInd per sistemi UEFI. Questi programmi permettono di selezionare quale sistema operativo o kernel avviare. GRUB, in particolare, è installato nel settore di avvio del disco e a seconda del sistema di avvio, così si comporta:

BIOS e MBR: Se il sistema utilizza un BIOS tradizionale, GRUB viene installato nel MBR (Master Boot Record), ovvero il primo settore (512 byte) del disco. Questo settore contiene un piccolo codice di avvio che permette di caricare il resto di GRUB, situato nelle aree successive del disco.
UEFI e GPT: Nei sistemi moderni con UEFI, GRUB viene collocato nella EFI System Partition (ESP). Qui GRUB è un file eseguibile (grubx64.efi) che viene richiamato direttamente da UEFI.

In entrambi i casi, una volta avviato, GRUB gestisce il processo di avvio del sistema con le seguenti operazioni:

1. Caricamento del Menu di Avvio

Legge il file di configurazione (solitamente /boot/grub/grub.cfg).
Mostra un menu con le opzioni disponibili (diverse versioni del kernel o altri sistemi operativi).

2. Preparazione del Kernel e initramfs

Carica il kernel Linux selezionato in memoria RAM.
Carica initramfs (initial RAM filesystem), un filesystem temporaneo in memoria RAM che contiene:
- Driver necessari per accedere all’hardware (es. filesystem crittografati, RAID).
- Script per montare il filesystem root effettivo.

3. Passaggio dei Parametri al Kernel

GRUB passa al kernel i parametri di avvio (es. root=/dev/sda1 per indicare la partizione root).
A questo punto, il kernel prende il controllo.

K – Kernel: Il Cuore del Sistema

Il kernel è il cuore del sistema operativo, responsabile della gestione dell’hardware, dei processi e delle risorse disponibili. È il componente fondamentale che permette al software di comunicare con i dispositivi fisici del computer. Nel contesto dei sistemi GNU/Linux, il processo di caricamento ed esecuzione è il seguente:

1. Decompressione e Inizializzazione

Il kernel, solitamente compresso (come vmlinuz), si decomprime in RAM.
Inizializza i driver per CPU, memoria, dispositivi di input/output.

2. Montaggio del Filesystem Root

Usa initramfs per accedere temporaneamente ai dischi.
Trova e monta il filesystem root (es. ext4, btrfs, xfs).
Elimina initramfs dalla memoria una volta completato il suo compito.

3. Creazione dei Processi di Sistema

Inizializza la gestione della memoria virtuale.
Avvia i primi thread del kernel. I thread sono processi speciali gestiti direttamente dal kernel Linux, che operano in spazio kernel (non in spazio utente) e svolgono compiti critici per il funzionamento del sistema.
Crea il primo processo utente: init (o systemd nei sistemi moderni).

I – Init/Systemd: Il Primo Processo Utente

Init (o systemd nelle distribuzioni recenti) è il primo processo avviato dal kernel Linux e ha sempre PID 1 (Process IDentifier). Il PID, assegnato dal kernel Linux con un numero univoco, identifica ogni processo in esecuzione.

1. Lettura della Configurazione

Init tradizionale (SysVinit) legge /etc/inittab.
Systemd legge le unità (file .service, .target) da /etc/systemd/.

2. Impostazione del Runlevel /Target

SysVinit usa i runlevel (0-6) per definire lo stato del sistema (es. 3 = modalità testo, 5 = interfaccia grafica).
Systemd usa i target (es. multi-user.target, graphical.target).

3. Avvio dei Servizi

Vengono caricati in ordine:

Servizi di sistema (log, cron, rete).
Gestore di accesso (es. gdm, lightdm per l’interfaccia grafica).
Ambiente desktop (se configurato).

Una volta completata questa lunga fila di processi, il sistema è pronto per l’uso.

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