Arch ブートプロセス

2023-01-21T12:48:21Z

Ohakutsu: Fix typo

[[Category:ブートプロセス]]
[[Category:Arch について]]
[[bs:Arch boot process]]
[[en:Arch boot process]]
[[es:Arch boot process]]
[[fr:Arch boot process]]
[[pt:Arch boot process]]
[[ru:Arch boot process]]
[[zh-hans:Arch boot process]]
{{Related articles start}}
{{Related|Master Boot Record}}
{{Related|GUID Partition Table}}
{{Related|Unified Extensible Firmware Interface}}
{{Related|mkinitcpio}}
{{Related|init}}
{{Related|systemd}}
{{Related|fstab}}
{{Related|自動起動}}
{{Related articles end}}

Arch Linux を起動するためには、Linux 対応の[[#ブートローダー|ブートローダー]]をセットアップする必要があります。ブートローダは、ブートプロセスが始まる前にカーネルや[[mkinitcpio|初期 RAM ディスク]]をロードする仕事を行います。[[Wikipedia:ja:BIOS|BIOS]] と [[Unified Extensible Firmware Interface|UEFI]] で起動の流れはかなり異なっています。このページや関連するページに詳しい説明があります。

== ファームウェアの種類 ==

ファームウェアは、システムの電源を入れた時に一番最初に実行されるプログラムのことです。

{{Tip|BIOS や (U)EFI という語は、ファームウェアという語の代わりにしばしば用いられます。}}

=== BIOS ===

[[Wikipedia:ja:BIOS|BIOS]] (Basic Input-Outout System) は、ほとんどの場合マザーボード内のフラッシュメモリに保存され、システムストレージとは独立しています。元々は [[Wikipedia:IBM PC|IBM PC]] がハードウェアの初期化やブートプロセスを処理するために作成されました。2010 年より、BIOS にあるような技術的な制約が存在しない [[#UEFI|UEFI]] に徐々に置き換えられています。

=== UEFI ===

[[Unified Extensible Firmware Interface]] は、パーティションテーブルとファイルシステムの両方の読み取りをサポートしています。UEFI は[[パーティショニング#Master Boot Record (bootstrap code)|Master Boot Record (MBR) 内のブートコード]] を起動しません(たとえ、それが有ろうと無かろうと)。代わりに、起動は [[Wikipedia:Non-volatile random-access memory|NVRAM]] 内のブートエントリに頼っています。

UEFI 仕様では [[FAT|FAT12、FAT16、および FAT32]] ファイルシステム ([https://uefi.org/sites/default/files/resources/UEFI_Spec_2_8_final.pdf#G17.1019485 UEFI 仕様バージョン2.8、セクション13.3.1.1] を参照) のサポートが義務付けられていますが、規格に準拠しているベンダーは任意でファイルシステムのサポートを追加できます。たとえば、Apple の一部のファームウェアでは [[Wikipedia:HFS+|HFS+]] か [[Wikipedia:APFS|APFS]] のサポートがあります。UEFI の実装では、光ディスク用の ISO-9660 もサポートされています。

UEFIは、[[#ブートローダー|ブートローダー]] 、ブートマネージャ、 [[Unified_Extensible_Firmware_Interface#UEFI シェル |UEFI シェル]] などの EFI アプリケーションを起動します。これらのアプリケーションは通常、 [[EFI システムパーティション]] にファイルとして保存されます。各ベンダーは、EFI システムパーティションの {{ic|/EFI/''vendor_name''}} フォルダにファイルを格納できます。アプリケーションを起動するには、NVRAM に、または UEFI シェルからブートエントリを追加します。

UEFI 仕様では、[[Wikipedia:ja:Unified_Extensible_Firmware_Interface|互換性サポートモジュール (CSM)]] によるレガシー [[#BIOS|BIOS]] ブートがサポートされています。UEFI で CSM が有効な場合、UEFI はすべてのドライブの CSM ブートエントリを生成します。CSM ブートエントリがブート元として選択された場合、UEFI の CSM はドライブの MBR ブートストラップコードからのブートを試みます。

{{Note|Intel は CSM のサポートを徐々に終了しつつあります。将来的に、この機能に頼ることは不可能になるかもしれません。[https://www.intel.com/content/dam/support/us/en/documents/intel-nuc/Legacy-BIOS-Boot-Support-Removal-for-Intel-Platforms.pdf]}}

== システムの初期化 ==

=== BIOS ===

# システムの電源が入れられ [[Wikipedia:ja:Power On Self Test|POST]] が実行される。
# BIOS が、ブートに必要なシステムハードウェア (ディスクやキーボードコントローラなど) を初期化する。
# BIOS のディスク順で最初のディスクの最初の440バイト ([[Master Boot Record|Master Boot Record]]) が BIOS によって実行される。
# MBR ブートコード内の、ブートローダの最初のステージが、2番めのステージコードを以下のどれかから実行する:
#* MBR の次のディスクセクタ。つまり、post-MBR gap と呼ばれる部分(MBR パーティションテーブルにしか存在しません)。
#* パーティションのディスクの、あるいはパーティションレスディスクの [[Wikipedia:Volume boot record|ボリュームブートレコード (VBR)]]。
#* [[BIOS ブートパーティション]] (BIOS/GPT 上の [[GRUB]] でのみ)。
# [[#ブートローダー|ブートローダー]]本体が起動される。
# ブートローダーがオペレーティングシステムのカーネルをチェインロード、または直接ロードして、オペレーティングシステムをロードする。

=== UEFI ===

# システムのスイッチが入り、[[Wikipedia:Power-on self-test|power-on self-test (POST)]] が実行される。
# POST 後に、UEFI は起動に必要なハードウェア(ディスク、キーボード、コントローラなど)を初期化する。
# ファームウェアは NVRAM 内のブートエントリを読み込み、どの EFI アプリケーションを起動するかや、どこから(例えば、どのディスクやパーティションから)起動するかを判断する。
#* ブートエントリは単にディスクであることもあります。この場合、ファームウェアは [[EFI システムパーティション]]をそのディスク上から探し、フォールバックブートパス {{ic|\EFI\BOOT\BOOTx64.EFI}}([[Unified Extensible Firmware Interface#UEFI ファームウェアのビット数|IA32 (32-bit) UEFI のシステム]]では {{ic|BOOTIA32.EFI}})から EFI アプリケーションを見つけようとします。これは UEFI の起動可能リムーバブルメディアの動作です。
# ファームウェアが EFI アプリケーションを起動する。
#* そのアプリケーションは[[#ブートローダ|ブートローダ]]や、[[EFISTUB]] を使用する Arch [[カーネル]]自体であることもあります。
#* そのアプリケーションは他の EFI アプリケーション([[UEFI シェル]] や、[[systemd-boot]] や [[rEFInd]] などの [[#ブートローダ|ブートマネージャ]])であることもあります。

[[セキュアブート]] が有効化されている場合、ブートプロセスでは EFI バイナリの正統性を署名によって検証します。

{{Note|一部の UEFI システムはフォールバックブートパスからしか起動できません。}}

==== UEFI でのマルチブート ====

それぞれの OS やベンダーは互いに影響を与えずに [[EFI システムパーティション]] 内に固有のファイルを保持することができるので、UEFI を用いたマルチブートは単に、特定のオペレーティングシステムのブートローダに対応する異なる EFI アプリケーションを起動する問題になります。ゆえに、他の OS をロードするためにブートローダの[[Wikipedia:Chain loading|チェインロード]]メカニズムに頼る必要がありません。

[[Windows と Arch のデュアルブート]] も参照してください。

== ブートローダー ==

ブートローダーは、ファームウェア([[Wikipedia:BIOS|BIOS]] または [[UEFI]])によって起動されるソフトウェアの一部です。ブートローダーは、必要な[[カーネルパラメータ]]と任意の外部の初期 RAM ディスクイメージと共にカーネルをロードします。UEFI の場合、[[EFISTUB|EFI ブートスタブ]]を使用して、UEFI からカーネル自体を直接起動できます。ブート前にカーネルパラメータを編集するために、別のブートローダやブートマネージャを使うこともできます。

{{Warning|ブートローダーはカーネルと initramfs イメージにアクセスできなければなりません。アクセスできなければシステムはブートしません。したがって、通常のセットアップでは、{{ic|/boot}} へのアクセスをサポートしている必要があります。つまり、ブロックデバイスからスタックされたブロックデバイス (LVM、RAID、dm-crypt、LUKSなど) まで、カーネルや initramfs イメージが存在するファイルシステムまで、すべてをサポートしなければなりません。}}

{{Note|[[マイクロコード]] の更新を読み込むには、ブートローダの設定を調整する必要があります。[https://www.archlinux.org/news/changes-to-intel-microcodeupdates/]}}

=== 機能比較 ===

{{Note|
* GPT は UEFI 仕様の一部であるため、すべての UEFI ブートローダーは GPT ディスクをサポートします。BIOS システム上の GPT は、[https://www.rodsbooks.com/gdisk/hybrid.html Hybrid MBR] で "hybrid booting" を使うか、新しい [https://repo.or.cz/syslinux.git/blob/HEAD:/doc/gpt.txt GPT-only] プロトコルを使うことで可能です。ただしこのプロトコルは特定の BIOS 実装で問題を引き起こす可能性があります。詳細については、[https://www.rodsbooks.com/gdisk/bios.html#bios rodsbooks] を参照してください。
* ファイルシステムのサポートで言及されている暗号化は [[wikipedia:Filesystem-level encryption|ファイルシステムレベルの暗号化]] であり [[dm-crypt|ブロックレベルの暗号化]] とは関係ありません。
}}

{| class="wikitable sortable"
! rowspan="2"| 名前
! colspan="2"| ファームウェア
! colspan="2"| [[パーティショニング#パーティションテーブル|パーティションテーブル]]
! rowspan="2"| マルチブート
! colspan="5"| [[ファイルシステム]]
! rowspan="2"| 備考
|-
! BIOS !! [[UEFI]]
! [[MBR]] !! [[GPT]]
! [[Btrfs]] !! [[ext4]] !! ReiserFS !! [[VFAT]] !! [[XFS]]
|-
! [[EFISTUB]]
| {{-}} || {{Yes}}
| {{Yes}} || {{Yes}}
| {{-}}
| {{-}} || {{-}} || {{-}} || {{G|ファームウェアから継承1}} || {{-}}
| カーネルはEFI実行可能ファイルに変換され、[[UEFI]] ファームウェアまたは別のブートローダーから直接ロードされます。
|-
! [[Unified カーネルイメージ]]
| {{-}} || {{Yes}}
| {{Yes}} || {{Yes}}
| {{-}}
| {{-}} || {{-}} || {{-}} || {{G|ファームウェアから継承1}} || {{-}}
| {{man|7|systemd-stub}} やカーネル、initramfs、カーネルコマンドラインを EFI 実行ファイルにパックしたものです。UEFI ファームウェアや他のブートローダから直接読み込めます。
|-
! [[GRUB]]
| {{Yes}} || {{Yes}}
| {{Yes}} || {{Yes}}
| {{Yes}}
| {{Yes}} || {{Yes}} || {{Yes}} || {{Yes}} || {{Yes}}
| BIOS / GPT 構成では、[[GRUB#BIOS システム|BIOS ブートパーティション]]が必要です。 RAID、LUKS1、LVMをサポートします(シンプロビジョニングボリュームはサポートしません)
|-
! [[Limine]]
| {{Yes}} || {{Yes}}
| {{Yes}} || {{Yes}}
| {{Yes}}
| {{No}} || {{Y|暗号化非対応}} || {{No}} || {{Yes}} || {{No}}
|
|-
! [[rEFInd]]
| {{No}} || {{Yes}}
| {{Yes}} || {{Yes}}
| {{Yes}}2
| {{Y|暗号化非対応}} || {{Y|暗号化非対応}} || {{Y|テールパッキング機能は非対応}} || {{G|ファームウェアから継承1}} || {{No}}
| 明示的な構成なしでカーネルとパラメーターの自動検出をサポートします。そして、fastboot をサポートします[https://bbs.archlinux.org/viewtopic.php?id=258805]。
|-
! [[Syslinux]]
| {{Yes}} || {{Y|[[Syslinux#UEFI Syslinux の制限|部分的]]}}
| {{Yes}} || {{Yes}}
| {{Y|[[Syslinux#チェインロード|部分的]]}}
| {{Y|マルチデバイスボリューム、圧縮、暗号化は非対応}} || {{Y|暗号化非対応}} || {{No}} || {{Yes}} || {{Y|MBR のみ。スパース inode 非対応}}
| 特定の [[ファイルシステム]] 機能はサポートされていません。[https://wiki.syslinux.org/wiki/index.php?title=Filesystem] ファイルシステムドライバーがありません [https://bugzilla.syslinux.org/show_bug.cgi?id=33] は、インストールされているファイルシステムにのみアクセスできます。
|-
! [[systemd-boot]]
| {{No}} || {{Yes}}
| {{Y|[https://github.com/systemd/systemd/issues/1125 手動インストールのみ]}} || {{Yes}}
| {{Yes}}2
| {{Y|サイドロード可3}} || {{Y|サイドロード可3}} || {{Y|サイドロード可3}} || {{G|ファームウェアから継承1}} || {{Y|サイドロード可3}}
| [[ESP]] または拡張ブートローダーパーティション(XBOOTLDRパーティション)以外のパーティションからバイナリを起動することはできません。 [[Unified カーネルイメージ]]は、{{ic|''esp''/EFI/Linux}} に置かれた場合、自動検出をサポートします。
|-
! {{Grey|[[GRUB Legacy]]}}
| {{Yes}} || {{No}}
| {{Yes}} || {{No}}
| {{Yes}}
| {{No}} || {{No}} || {{Yes}} || {{Yes}} || {{Y|XFS v4 のみ}}
| [https://www.gnu.org/software/grub/grub-legacy.html 廃止]。[[GRUB]] に移行。
|-
! {{Grey|[[LILO]]}}
| {{Yes}} || {{No}}
| {{Yes}} || {{No}}
| {{Yes}}
| {{No}} || {{Y|暗号化非対応}} || {{Yes}} || {{Yes}} || {{Yes|https://xfs.org/index.php/XFS_FAQ#Q:_Does_LILO_work_with_XFS.3F}}
| [https://web.archive.org/web/20180323163248/http://lilo.alioth.debian.org/ 廃止]。制限による (Btrfs、GPT、RAIDなど)。
|}

# ファイルシステムのサポートはファームウェアから継承されます。 UEFI 仕様では、FAT12、FAT16、および FAT32 ファイルシステムのサポートが義務付けられていますが、ベンダーはオプションで追加のファイルシステムのサポートを追加できます。[https://uefi.org/sites/default/files/resources/UEFI_Spec_2_8_final.pdf#G17.1345080] たとえば、Apple [[Mac]] のファームウェアは HFS+ ファイルシステムをサポートしています。ファームウェアが起動時に [[Unified Extensible Firmware Interface#UEFI ドライバ|UEFIドライバー]] をロードするためのインターフェースを提供する場合、ファイルシステムドライバーを(個別に取得して)ロードすることにより、追加のファイルシステムのサポートを追加できます。
#A [https://www.rodsbooks.com/efi-bootloaders/principles.html boot manager] 他の EFI アプリケーション、たとえば {{ic | 1 = CONFIG_EFI_STUB = y}} および Windows {{ic|bootmgfw.efi}} で構築された Linux カーネルイメージのみを起動できます。
# [[systemd-boot]] は [[Unified Extensible Firmware Interface#UEFI ドライバ|UEFI ファイルシステムドライバ]]の読み込みをサポートしています。ドライバは {{Pkg|efifs}} により提供され、{{ic|''esp''/EFI/systemd/drivers/}} に配置する必要があります。

[[Wikipedia:Comparison of boot loaders]] も参照してください。

== カーネル ==

[[#ブートローダー|ブートローダー]] は、[[カーネル]]を含んでいる [[Wikipedia:ja:vmlinux|vmlinux イメージ]]を起動します。

カーネルは、マシンのハードウェアとプログラムとの間を仲介する低いレベル(''カーネル空間'')で機能します。カーネルは、ユーザスペースに移行する前にまずハードウェアの列挙と初期化を行います。より詳細な説明は [[Wikipedia:ja:カーネル]] と [[Wikipedia:ja:Linuxカーネル]] を見てください。

== initramfs ==

{{ic|/}} のルートファイルシステムは空の [https://www.kernel.org/doc/html/latest/filesystems/ramfs-rootfs-initramfs.html rootfs] として始まります。これは ramfs や tmpfs の特殊なインスタンスです。これは一時的なルートファイルシステムで、initramfs (''init''ial ''RAM'' ''f''ile ''s''ystem) イメージがここへ解凍されます。

initramfs の目的は root ファイルシステムにアクセスできる位置にシステムをブートストラップすることです (詳しくは [[FHS]] を見て下さい)。これは IDE, SCSI, SATA, USB/FW (外部ハードウェアから起動する場合) などのデバイスのために必要なモジュールがカーネルに入っていない場合 initramfs からモジュールをロードできなくてはならないということを意味しています; (プログラムやスクリプトから明示的に指定されるか [[udev]] を通すかして) 正しいモジュールがロードされると、ブートプロセスが再開されます。従って、initramfs に含めなくてはならないのは root ファイルシステムにアクセスするために必要なモジュールだけで、使用する全てのモジュールを入れる必要はありません。ほとんどのモジュールは後の init プロセス中に、[[udev]] によってロードされます。

まず、カーネルは組み込みの initramfs を一時的なルートファイルシステムに解凍します。Arch Linux の[[カーネル#公式サポートカーネル|公式カーネル]]では組み込みの initramfs として空のアーカイブが用いられます(Linux のビルドの際のデフォルトです)。そして、カーネルは、[[#ブートローダー|ブートローダー]]から渡されたコマンドラインにより指定された外部の initramfs ファイルを解凍します。この際、組み込みの initramfs にあったファイルは上書きされます。このような外部の initramfs イメージは [[mkinitcpio]] や [[dracut]]、[[booster]] によって生成でき、Arch の''初期ユーザ空間''のセットアップの方法として推奨されています。

== 初期ユーザ空間 ==

''初期ユーザ空間''の段階は一時的なルートファイルシステムがマウントされている状態で行われ、[[#initramfs|initramfs]] により提供されたファイルで動作します。

初期ユーザ空間の機能は[[Mkinitcpio#HOOKS|設定可能]]ですが、一般的に以下のようなことを行います:

* {{man|8|systemd-modules-load}} がカーネルモジュールを読み込みます。例えば、本物のルートファイルシステムをマウントするために必要なブロックデバイスモジュールなどです。
* 必要ならば、本物のルートファイルシステムの復号処理を行います。
* [[Kernel Mode Setting#Early KMS start|early KMS]] が必要な場合、DRM モジュールを読み込みます。

初期ユーザー空間の最終段階として、本物のルートファイルシステムが {{ic|/sysroot}} にマウントされ、それに切り替わります。本物のルートファイルシステムから [[init]] プログラムを実行することにより、後期ユーザ空間が始まります。

== 後期ユーザ空間 ==

[[init]] プロセスにより後期ユーザ空間のスタートアップが実行されます。Arch では公式には、ユニットとサービスの概念の上に構築された [[systemd]] が用いられます。しかし、ここで言及している機能は他の init システムと重なります。

=== getty ===

init プロセスは [[Wikipedia:Virtual console|仮想コンソール]](典型的には6つ)ごとに [[getty]] を1回呼び出します。''getty'' はそれぞれのターミナルを初期化して、認証されていないユーザからターミナルを保護します。ユーザ名とパスワードが与えられると、''getty'' はそれらを {{ic|/etc/passwd}} と {{ic|/etc/shadow}} と照合し、{{man|1|login}} を呼び出します。

==== ログイン ====

''ログイン'' プログラムは、環境変数を設定し、{{ic|/etc/passwd}} に基づいてユーザーのシェルを起動することによって、ユーザーのセッションを開始します。''ログイン'' プログラムは、ログインに成功するとログインシェルを実行する直前に [[Wikipedia:motd (Unix) |/etc/motd]] (''m''essage ''o''f ''t''he ''d''ay) の内容を表示します。利用規約を表示してユーザーに地域のポリシーや伝えたいことを思い出させるのに適した場所です。

==== シェル ====

ユーザーの [[シェル]] が起動されると、通常はユーザーにプロンプトを表示する前に [[bashrc]] などの実行時設定ファイルが実行されます。アカウントが [[%E3%83%AD%E3%82%B0%E3%82%A4%E3%83%B3%E6%99%82%E3%81%AB_X_%E3%82%92%E8%B5%B7%E5%8B%95]] に設定されている場合、実行時設定ファイルは [[startx]] または [[xinit]] を呼び出します。

=== ディスプレイマネージャ ===

{{Expansion|ここでは、[[Xorg]] での処理のみを説明し、[[Wayland]] での処理については説明しない。}}

さらに、[[init]] は、指定した仮想コンソールで ''getty'' の代わりに[[ディスプレイマネージャ]]を起動するように設定できます。そうするには、該当する [[systemd#ユニットを使う|systemd service ファイル]]を手動で[[有効化]]する必要があります。そうしたら、ディスプレイマネージャーがグラフィカルセッションを起動します。

==== グラフィカルセッション ====

[[xinit]] はユーザの [[xinitrc]] ランタイム設定ファイルを実行し、通常、[[ウィンドウマネージャ]]や[[デスクトップ環境]]を開始します。ユーザが終了すると、''xinit''、 ''startx''、シェル、ログインの順序で終了して [[#getty|getty]]、またはディスプレイマネージャに戻ります。

== 参照 ==

* [https://web.archive.org/web/20150430223035/http://archlinux.me/brain0/2010/02/13/early-userspace-in-arch-linux/ Early Userspace in Arch Linux]
* [https://developer.ibm.com/articles/l-linuxboot/ Inside the Linux boot process]
* [[Wikipedia:Linux startup process]]
* [[Wikipedia:initrd]]
* [https://www.cyberciti.biz/faq/grub-boot-into-single-user-mode/ Boot Linux Grub Into Single User Mode]
* [https://neosmart.net/wiki/mbr-boot-process/ NeoSmart: The BIOS/MBR Boot Process]
* [https://www.linux.com/learn/kernel-newbie-corner-initrd-and-initramfs-whats Kernel Newbie Corner: initrd and initramfs]
* [https://www.rodsbooks.com/efi-bootloaders/ Rod Smith - Managing EFI Boot Loaders for Linux]

{{TranslationStatus|Arch boot process|2022-08-08|739722}}

ArchWiki - 利用者の投稿記録 [ja]

Arch ブートプロセス