Arrencada del sistema (Part 1)

Unitat 2 · Administració i Manteniment de Sistemes i Aplicacions (AMSA)

Jordi Mateo Fornés

Etapes de l’arrancada

Fase 1: Màquinaria

  • En prémer el botó d’encesa, la placa base envia un senyal a la PSU (Power Supply Unit).
  • La PSU proporciona tensió estable a tots els components i activa la CPU.
  • La CPU inicialitza registres interns i col·loca el Puntador d’Instrucció (EIP) a la direcció de reset 0xFFFFFFF0.

Aquesta adreça conté una instrucció de salt (jmp) que redirigeix la CPU al Firmware (BIOS/UEFI) per iniciar el procés de diagnòstic i arrencada del sistema (POST).

Fase 2: Firmware

El teu ordinador necessita un firmware per: provar, detectar, configurar i inicialitzar dispositius. Aquest firmware en sistemes moderns és l’UEFI i en sistemes antics el BIOS (normalment compatibles amb IBM PC).

You’ve probably read a lot of stuff on the internet about UEFI. Here is something important you should understand: 95% of it was probably garbage. — Adam Williamson

Fase 2: Etapes

  1. Inicialització del firmware

    • Carrega i execució del codi de firmware (BIOS/UEFI).
    • Lectura de la configuració de la NVRAM.
    • Verificació de la integritat del firmware.

  2. Diagnòstic i detecció

    • Power-On Self Test (POST): comprovació de CPU, RAM, gràfics bàsics…
    • Detecció i inicialització dels dispositius connectats.
    • Aplicació de la configuració als dispositius.

  3. Arrencada del sistema

    • Selecció del dispositiu d’arrencada.
    • Càrrega del bootloader de primera etapa.
    • Transferència del control al bootloader.

Actualització del firmware

El firmware està emmagatzemat en un xip de memòria flash a la placa base. L’actualització (flashing) substitueix el contingut d’aquest xip per una versió nova.

🚀 Objectius

  • Corregir errades de microcodi de la CPU.
  • Afegir suport per a nou maquinari (CPU, RAM, targetes).
  • Aplicar parches de seguretat (ex.: vulnerabilitats Spectre/Meltdown.
  • Millorar funcions de gestió d’energia i arrencada segura (Secure Boot).

⚠️ Riscos

  • Un error en el procés (tall de corrent, imatge corrupta, versió incorrecta) pot deixar el xip inservible (brick).
  • Alguns fabricants ofereixen mecanismes de recuperació (dual BIOS, BIOS flashback, càpsules UEFI).
  • En entorns de producció, és recomanable validar la nova versió en un entorn de test abans de desplegar-la.

Diferències entre BIOS i UEFI (I)

Característica BIOS UEFI
Emmagatzematge Tradicionalment en ROM (avui dia flash EEPROM) Flash SPI a la placa base + EFI System Partition (ESP) al disc
Capacitat de disc Fins a 2,2 TB (per limitació 32-bit LBA, sectors 512 B) Fins a 9,4 ZB (GPT)
Interfície Text Gràfica, amb suport per ratolí i resolucions altes
Seguretat Sense proteccions avançades Secure Boot, verificació de signatures i protecció contra codi maliciós
Compatibilitat Principalment IBM PC compatibles antics Compatible amb sistemes moderns, amb suport per Legacy BIOS via CSM

Diferències entre BIOS i UEFI (II)

Característica BIOS UEFI
Velocitat d’arrencada Més lenta Més ràpida gràcies a inicialització paral·lela de drivers i fast boot
Taula de particions MBR GPT
Nombre màxim de particions 4 primàries (amb lògiques dins d’estesa) Fins a 128 entrades de particions
Modularitat Monolítica Modular, permet afegir drivers, aplicacions i extensions UEFI

Taula de particions MBR

Estructura

  • Bootloader de primera etapa (446 bytes): Conté el codi d’arrencada.
  • Taula de particions (64 bytes): Conté la informació de les particions. Pot contenir fins a 4 entrades.
  • Signatura (2 bytes): Marca de final de la taula de particions. Permet identificar la taula de particions com a vàlida.

Límitació

  1. Com MBR utiltiza entrades de 32 bits per blocs lògics (LBA) → \(2^{32}\) sectors × \(512 B = 2 TB\) aproximadament.
  2. Només suporta 4 particions primàries.

Particions MBR (I)

  1. Particions primàries

    • Fins a 4 per disc.
    • Contenen directament un sistema de fitxers (ext4, NTFS, FAT32).
    • Pot tenir un Volume Boot Record (VBR) que carrega el sistema operatiu de la partició.

  2. Partició estesa

    • Una partició primària especial per superar la limitació de 4 primàries.
    • No conté sistema de fitxers ni VBR; actua com a contenidor de particions lògiques.

  3. Particions lògiques

    • Resideixen dins de la partició estesa.
    • Cada partició lògica té un Extended Boot Record (EBR) amb la seva taula de particions.
    • La linked list d’EBRs permet afegir dinàmicament més particions lògiques.
    • Pot contenir un VBR per carregar el sistema operatiu

Particions MBR (II)

Taula de particions GPT (I)

  1. Compatibilitat i protecció
    • Bloqueja utilitats basades en MBR per no sobreescriure un disc GPT.
    • Conté una única partició especial que identifica el disc com GPT.
    • OS i eines que no suporten GPT reconeixen el disc, però normalment no el modifiquen.
  2. GPT Header Primari
    • Situat al segon sector del disc (LBA 1).
    • Defineix els blocs utilitzables del disc.
    • Conté la taula de particions (mínim 128 entrades, 128 B cadascuna).
  3. GPT Header Secundari
    • Còpia de seguretat del Primary GPT Header.
    • Situat als últims sectors del disc.
    • Permet recuperar la informació si el Primary Header està corrupte.

Taula de particions GPT

Què és UEFI? (I)

  • Sistema de fitxers propi
    • UEFI no utilitza MBR tradicional de 512 B ni codi de boot limitat.
    • Disposa d’un filesystem propi (FAT32, 100 a 550 MB) anomenat EFI System Partition (ESP).
    • La partició EFI és marcada amb boot flag, però mai conté OS partitions.
  • Estructura de la partició EFI
    • Cada OS té la seva carpeta dins de la ESP.
    • Conté tots els fitxers necessaris per carregar el sistema operatiu.
    • En Linux, la ESP sovint es munta sota /boot/efi.
/
├── boot
│   ├── efi
│   │   ├── EFI
│   │   │   ├── BOOT
│   │   │   │   ├── BOOTX64.EFI

Què és UEFI? (II)

  • Mini sistema operatiu
    • UEFI és com un mini sistema operatiu.
      • Executa fitxers en format EFI executable.
      • Permet drivers i aplicacions independents del SO.
    • Quan escrius un bootloader natiu UEFI, has de respectar aquest format.
  • UEFI Boot Manager
    • Motor de política del firmware per arrencada.
    • Configurable via variables globals a NVRAM.
    • Carrega drivers UEFI i aplicacions UEFI (incloent OS bootloaders) en l’ordre definit per les variables.
    • Linux disposa de l’eina efibootmgr per modificar la configuració del boot manager.

Mòduls de la UEFI

efibootmgr

# efibootmgr -v
BootCurrent: 0002
Timeout: 3 seconds
BootOrder: 0003,0002,0000,0004
Boot0000* CD/DVD Drive  BIOS(3,0,00)
Boot0001* Hard Drive    HD(2,0,00)
Boot0002* Fedora        HD(1,800,61800,6d98f360-cb3e-4727-8fed-5ce0c040365d)File(\EFI\fedora\grubx64.efi)
Boot0003* opensuse      HD(1,800,61800,6d98f360-cb3e-4727-8fed-5ce0c040365d)File(\EFI\opensuse\grubx64.efi)
Boot0004* Hard Drive    BIOS(2,0,00)P0: ST1500DM003-9YN16G
  • Les entrades Boot0000 i Boot0004 corresponen a modes de compatibilitat BIOS (CSM), no són natives- d’UEFI.
  • Generades automàticament pel firmware, sense intervenció externa.
  • S’afegeixen directament a les variables NVRAM del sistema.
  • Entrades UEFI natives (Boot0002, Boot0003) apunten directament als fitxers EFI dels OS:
    • Fedora : \EFI\fedora\grubx64.efi
    • openSUSE: \EFI\opensuse\grubx64.efi
  • L’ordre d’arrencada es defineix a la variable BootOrder.

Què és la consola de la UEFI?

La consola de la UEFI és una interfície de línia de comandes que permet interactuar directament amb el firmware UEFI per realitzar tasques avançades de diagnòstic, configuració i manteniment del sistema.

Funcions

  • Configuració del maquinari i perifèrics (CPU, memòria, dispositius PCIe).
  • Comprovació del funcionament dels dispositius i diagnòstic de fallades.
  • Accés als sistemes de fitxers EFI i gestió de fitxers de boot.
  • Instal·lació, reparació o actualització de bootloaders i OS.
  • Execució de aplicacions UEFI natives (mini-aplicacions tipus OS).

Accés

  • Prement una tecla durant l’engegada del sistema, segons el fabricant: F2, F10, F12, ESC o Supr.
  • Des de sistemes operatius:
    • Linux: efibootmgr o systemctl reboot --firmware-setup.
    • Windows: Opció Advanced Startup i UEFI Firmware Settings.
    • macOS: Reboot amb Option/Alt.

Comandes de la consola de la UEFI

Comanda Funció Exemple
map Mostra els dispositius detectats i les unitats lògiques associades map fs* → llista tots els sistemes de fitxers detectats
mem Mostra l’ús de memòria i mapa físic de la RAM memmap → mapa detallat de la memòria física
ls Llista fitxers i directoris dins un FS accessible ls fs0:\EFI\Boot → mostra fitxers de la partició EFI
cd Navegar entre carpetes dins del FS cd EFI\Boot → mou a la carpeta d’arrencada EFI
cp Copiar fitxers entre unitats o directoris cp fs0:\EFI\Boot\bootx64.efi fs1:\EFI\Backup\
edit Editar fitxers, útil per configurar scripts d’arrencada edit fs0:\EFI\Boot\bootx64.efi

Importància de la partició EFI

  • Punt de partida per a l’arrencada del sistema operatiu.
  • Essencial per a l’arrencada dels sistemes UEFI.
  • Conté fitxers crítics per carregar el bootloader de segona etapa, com:
    • GRUB (Linux)
    • Gestor d’arrencada de Windows
  • Permet tenir múltiples sistemes operatius en el mateix disc.
  • Facilita la gestió i actualització de bootloaders sense afectar les particions del sistema operatiu.

Arrencar sense partició EFI

  • Teòricament possible: configurar UEFI per carregar el bootloader directament des del disc dur.
  • Poc comú i no recomanat, ja que:
    • Complica la gestió dels sistemes operatius.
    • Impedeix actualitzacions i reparacions automàtiques dels bootloaders.
  • La partició EFI proporciona un punt centralitzat i estàndard per a tots els fitxers d’arrencada.

Tipus de bootloaders

  1. Bootloader de primera etapa: Carregat directament pel firmware (BIOS/UEFI). S’encarrega de carregar el bootloader de segona etapa.
  2. Bootloader de segona etapa: Carregat pel bootloader de primera etapa. S’encarrega de carregar el sistema operatiu.

En sistemes UEFI, el bootloader de primera etapa és un fitxer executable en format EFI (per exemple, grubx64.efi per a GRUB). Mentre que en sistemes BIOS, el bootloader de primera etapa es troba en el MBR del disc.

Funcions del bootloader

Un bootloader és el programa encarregat de:

  1. Mostrar un menú amb les diverses opcions d’arrencada disponibles.
  2. Carregar el nucli (kernel) i l’Initrd (si s’escau) a la memòria principal.
  3. El kernel de linux té una convenció d’arrencada on el bootloader ha de preparar el mapa de memòria i els registres de la CPU abans de transferir el control al nucli.

Diferents gestors d’arrencada

Bootloader Compatibilitat Característiques principals
LILO BIOS Antic bootloader Linux, obsolet.
GRUB BIOS/UEFI Popular en Linux; menú configurable; suport multiboot.
GRUB2 BIOS/UEFI Versió moderna; suport FAT, NTFS, ext4; millor multiboot i scripting.
rEFInd UEFI Permet arrencar múltiples OS; interfície gràfica amigable.
systemd-boot UEFI Simple i ràpid; integració amb systemd; no recomanat per multiboot.
Windows Boot Manager UEFI Gestiona arrencada de Windows i altres OS compatibles; integració amb BCD.

Exercicis Propostas

That’s all

Take Home Message

El procés d’arrencada és un procés complex. Els administradors de sistemes han de conèixer aquest procés per poder gestionar i solucionar problemes durant l’arrencada del sistema i garantir un sistema segur, estable i eficient.