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多系统启动项配置

系统启动相关知识，包括启动项配置、启动加载器设置、EFI/Grub/rEFInd等、定制多系统启动器主题

缘起

我之前在电脑上装过双系统或者多系统，但对于多个系统的启动项一直云里雾里，经常出现启动项丢失、启动项重复等问题。这次我打算好好研究一下多系统启动项的配置，包括启动加载器的设置、EFI/Grub/rEFInd等，以及如何定制多系统启动器主题。

操作系统启动流程

计算机的启动过程主要分为4步：1. 上电；2. BIOS/UEFI启动；3. 加载启动项；4. 操作系统启动。第1步和第4步一般不需要用户干预，而第2步和第3步需要用户配置。所以这里主要介绍第2步和第3步的内容。

计算机启动流程

BIOS/UEFI启动

BIOS（Basic Input/Output System）和UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）是计算机的固件，负责启动计算机并加载操作系统。BIOS是旧的启动方式，UEFI是新的启动方式，UEFI相对于BIOS有更多的功能和更好的性能。无论是UEFI还是BIOS，它们都是主板上的固件。

BIOS启动流程

BIOS一般在比较旧的计算机上使用，其启动流程比较固定，用户定制的自由度比较低。主要分为以下步骤：

  1. BIOS POST（Power-On Self-Test）自检

  2. BIOS读取MBR（Master Boot Record）中的引导程序

  3. 引导程序读取分区表，找到活动分区

  4. 引导程序读取活动分区的引导扇区，加载操作系统

MBR的位置是固定的，一般在硬盘的第一个扇区，大小为512字节。MBR中包含了分区表和引导程序，分区表记录了硬盘的分区信息，引导程序负责加载操作系统。

UEFI启动流程

UEFI也是BIOS的一种，一般在比较新的计算机上使用。其启动流程比较灵活，包含的功能更多，用户定制的自由度比较高。尽管UEFI的功能更多，但其流程更为统一，主要分为以下步骤：

  1. UEFI POST（Power-On Self-Test）自检

  2. UEFI读取EFI分区中的引导程序

  3. 引导程序读取EFI分区中的引导文件，加载操作系统

华硕主板的UEFI界面

相比BIOS，UEFI使用的EFI分区的位置并不固定，甚至一块硬盘上可以有多个EFI分区。

UEFI的引导程序和引导文件都存储在EFI分区中，包含了引导程序、引导文件、驱动程序等。只要引导文件符合UEFI的规范，无论是Windows、Linux还是macOS的引导程序，也无论引导文件放在哪个EFI分区，UEFI都可以找到并加载。

由于UEFI更灵活也更新，所以接下来讲的多系统启动项配置都是基于UEFI的。

概念辨析：启动加载器、启动项、启动文件

在讲多系统启动项配置之前，我们先来梳理一下启动加载器、启动项和启动文件的概念。

  1. 启动加载器（Boot Loader）：负责加载操作系统的启动引导程序，每个启动引导程序就是一个启动项（Boot Entry）。常用的启动加载器有Grub（Grub2）、rEFInd、Clover等。

  2. 启动项（Boot Entry）：启动加载器加载的每个操作系统就是一个启动项，每个启动项对应一个操作系统。启动项包含了操作系统的启动文件、内核、驱动程序等。

  3. 启动文件（Boot File）：启动项中的启动文件，是操作系统的引导程序，负责加载操作系统。Windows的启动文件是bootmgfw.efi，Linux的启动文件是vmlinuz。

在此基础上，我们再来看UEFI是如何启动操作系统的。

  1. 每个启动加载器都对应着一个.efi文件，这个.efi文件就是启动加载器的启动文件，负责加载启动加载器。在UEFI完成自检后，会读取EFI分区中的所有.efi文件，如果你在此时进入BIOS设置，看到的启动项就是EFI分区中的.efi文件。这些启动项是有优先顺序的，其顺序可以在BIOS设置中调整。

    例如下图中最高优先级的启动项是rEFInd，其次是Windows Boot Manager，最后是ubuntu。电脑启动时会先试图加载rEFInd，如果rEFInd不存在，再尝试加载Windows Boot Manager，以此类推。

    UEFI启动项

  2. 如果rEFInd成功加载，rEFInd会读取EFI分区中的refind.conf配置文件，根据配置文件生成启动菜单，显示在屏幕上。其中每个菜单项对应一个启动项，启动项一般有两类：一类是操作系统内核镜像，另一类是启动加载器。

    • 操作系统内核镜像：对应的是操作系统的内核文件，例如Linux的vmlinuz文件，Windows的bootmgfw.efi文件。
    • 启动加载器：对应的是启动加载器的.efi文件，例如Grub2的grubx64.efi文件。

    rEFInd加载的启动项

  3. 用户选择一个菜单项后，rEFInd会加载对应的启动项，如果启动项是操作系统内核镜像，rEFInd会直接加载操作系统；如果启动项是启动加载器，rEFInd会加载启动加载器，启动加载器再加载操作系统。

  4. 如果启动加载器要启动一个Linux系统，那么首先会加载Linux的内核文件vmlinuz-xxx，然后加载Linux的初始化文件系统文件initrd-xxx.img或者initramfs-xxx.img，最后加载Linux系统。这两个文件都在Linux系统的/boot目录下。

多系统安装时的启动项配置

上面说了UEFI的引导程序和引导文件都存储在EFI分区中，所以在安装多个系统时，每个系统都会在EFI分区中创建一个引导文件，这样就会有多个引导文件，每个引导文件对应一个系统。这样就可以通过选择不同的引导文件来启动不同的系统。

在安装多个操作系统时，我们可以把各个系统的引导文件放入同一个EFI分区中，也可以把各个系统的引导文件放入不同的EFI分区中。两种方法各有利弊，具体选择哪种方法取决于个人喜好。

  1. 同一个EFI分区

    这种情况下的硬盘分区结构如下：

    同一个EFI分区

    优点：方便管理，只需要一个EFI分区，不需要多个EFI分区。更易于配置启动加载器。

    缺点：所有的引导文件都在一个EFI分区中，万一EFI分区损坏，所有的系统都无法启动。

    安装多个系统的具体操作如下：

    1. 硬盘分区：在硬盘上分出一个EFI分区，大小最好为1GB以上，格式为FAT32。其他分区可以按照各个操作系统的需求而定，例如Windows一般需要至少52GB的空间，Linux一般需要至少20GB的空间。
    2. 安装Windows：如果安装的多个操作系统既有Windows又有Linux，建议先安装Windows。因为Windows的引导程序会覆盖其他已安装操作系统的引导程序，导致先前安装的Linux无法启动。安装Windows时，选择给Windows分配的分区，Windows会自动在EFI分区中创建引导文件。
    3. 依次安装各个Linux：对于每个Linux系统，安装时一般选择自定义分区，手动挂载EFI分区到/boot/efi，挂载为Linux准备的分区到/，可选择创建交换分区和/home分区。安装完成后，Linux会在EFI分区中创建引导文件。
    4. 配置启动加载器：多个操作系统依次安装完成后，我们需要配置启动加载器，让我们可以选择要启动的操作系统。这些内容会在后面详细介绍。

  2. 不同的EFI分区

    这种情况下的硬盘分区结构如下：

    多个EFI分区

    优点：每个系统有自己的EFI分区，互不干扰。一个系统的EFI分区损坏，其他系统不受影响。

    缺点：需要多个EFI分区，管理起来比较麻烦。每个系统的引导文件都在不同的EFI分区中，不易于配置启动加载器。

    安装多个系统的具体操作如下：

    1. 硬盘分区：在硬盘为每个系统分别分出一块空间。暂时不需要创建EFI分区，安装系统时会在每个系统各自的分区中分别创建EFI分区。
    2. 安装Windows：安装Windows时，选择给Windows分配的分区，Windows会自动在该分区中创建EFI分区。
    3. 安装Linux：对于每个Linux系统，安装时选择为这个系统分配的分区，在这个分区中创建大小为200MB左右的EFI分区，挂载点为/boot/efi；剩余的空间挂载为Linux准备的分区，挂载点为/；可选择创建交换分区和/home分区。
    4. 配置启动加载器：多个操作系统依次安装完成后，我们需要配置启动加载器，让我们可以选择要启动的操作系统。这些内容会在后面详细介绍。

启动目录结构

我们来看一下启动目录的结构，以及安装一个操作系统时，这个操作系统会创建哪些文件。这里假设多个操作系统的引导文件都放在同一个EFI分区中，我们安装了3个操作系统：Windows、Ubuntu、Arch Linux。其中Ubuntu系统使用Grub2作为启动加载器，Arch Linux系统使用systemd-boot作为启动加载器。我们还在Ubuntu系统下安装了rEFInd作为启动加载器。

  1. EFI分区

    EFI分区是一个FAT32格式的独立的分区，一般大小为1GB左右。EFI分区中主要包含各个启动加载器的引导文件。

    EFI分区的目录结构如下：

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    EFI
├── Boot
│   └── bootx64.efi
├── Microsoft
│   └── Boot
│       ├── BCD
│       ├── BCD.LOG
│       ├── BCD.LOG1
│       ├── BCD.LOG2
│       ├── bootmgfw.efi
│       ├── bootmgr.efi
│       └── boot.stl
├── systemd
│   └── systemd-bootx64.efi
└── ubuntu
    ├── grub.cfg
    ├── grubx64.efi
    ├── mmx64.efi
    └── shimx64.efi
    • EFI/Boot/bootx64.efi：UEFI的默认引导文件，一般指向Windows的引导文件EFI/Microsoft/Boot/bootmgfw.efi。
    • EFI/Microsoft/Boot/bootmgfw.efi：Windows的引导文件，负责加载Windows操作系统。
    • EFI/systemd/systemd-bootx64.efi：systemd-boot的引导文件，负责加载Linux操作系统。
    • EFI/ubuntu/grubx64.efi：Grub2的引导文件，负责加载Linux操作系统。
    • EFI/ubuntu/shimx64.efi：Secure Boot的引导文件，用于加载Grub2。
    • EFI/ubuntu/mmx64.efi：Grub2的引导文件，用于加载Grub2。
    • EFI/ubuntu/grub.cfg：Grub2的配置文件，包含了各个启动项的配置。

  2. 安装操作系统

    安装Ubuntu时，选择自定义分区，手动挂载EFI分区到/boot/efi，挂载为Linux准备的分区到/。安装完成后，Ubuntu会在EFI分区中创建EFI/ubuntu目录，其中包含了Grub2的引导文件和配置文件。Ubuntu会在/boot目录中创建两个文件：vmlinuz和initrd.img，这两个文件是Linux的内核文件和初始化文件系统文件。Grub2的引导文件会识别这两个文件，并创建启动项，在启动时选择相应的启动项，就可以加载Ubuntu系统。

    在Ubuntu系统中，可以进入/boot/efi/EFI中查看EFI分区的目录结构。

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    /boot
├── efi
│   └── EFI
│       ├── Boot
│       ├── Microsoft
│       ├── systemd
│       └── ubuntu
├── vmlinuz
└── initrd.img

    注意，虽然/boot/efi/EFI在/boot下，但/boot/efi/EFI中的文件在EFI分区里，但/boot下的其他文件在Ubuntu系统的分区里。/boot下的vmlinuz和initrd.img文件在其他系统中是无法访问的，而若其他系统也挂载了EFI分区，那么其他系统也可以访问/boot/efi/EFI中的文件。

    如果继续安装更多的操作系统，一般操作系统都会让你选择启动加载器，你可以选择使用Grub2，也可以选择systemd-boot，或者其他启动加载器。下面介绍一下启动加载器的配置。

启动加载器

启动加载器（Boot Loader）负责加载操作系统的启动引导程序，每个启动引导程序就是一个启动项（Boot Entry）。常用的启动加载器有Grub（Grub2）、rEFInd、Clover等。这里主要介绍Grub2和rEFInd。

Grub2

Grub2（GNU GRand Unified Bootloader 2）是Linux系统上常用的启动加载器，功能强大，支持多系统启动。Grub2的配置文件是/boot/grub/grub.cfg，一般由grub-mkconfig命令生成。

Grub2的配置文件比较复杂，但功能强大，可以定制各种启动项。Grub2的主题也可以定制，但相对比较复杂。

Grub2的配置

  1. 配置文件

    Grub2的主配置文件是/boot/grub/grub.cfg，可以通过编辑这个文件来配置Grub2的启动项。

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    sudo vim /boot/grub/grub.cfg

    不过一般不建议直接编辑grub.cfg文件，因为这个文件是由grub-mkconfig命令生成的，如果直接编辑grub.cfg文件，下次更新Grub2时会被覆盖。建议通过配置/etc/default/grub文件，以及/etc/grub.d/目录下的配置文件来配置Grub2。

  2. 启动项的配置

    Grub2的启动项配置比较复杂，例如：

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    GRUB_DEFAULT=0
GRUB_TIMEOUT=5
GRUB_DISTRIBUTOR=`lsb_release -i -s 2> /dev/null || echo Debian`
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash"
GRUB_CMDLINE_LINUX=""
    • GRUB_DEFAULT：默认启动项的编号，从0开始。
    • GRUB_TIMEOUT：启动菜单显示的时间，单位为秒。
    • GRUB_DISTRIBUTOR：系统的发行商。
    • GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT：Linux内核的默认启动参数。
    • GRUB_CMDLINE_LINUX：Linux内核的启动参数。

  3. 定制主题

    Grub2的主题可以定制，可以把想要的主题文件放在/boot/grub/themes目录下。主题目录下包含了主题文件、字体文件、背景图片等，而且有一个名为theme.txt的配置文件，可以配置主题的各种属性。

    在配置文件/etc/default/grub中可以指定主题文件：

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    GRUB_THEME="/boot/grub/themes/theme-name/theme.txt"

更多的Grub2配置可以参考Grub2配置。

rEFInd

rEFInd是一个基于UEFI的启动加载器，功能强大，支持多系统启动。rEFInd的配置文件是/boot/efi/EFI/refind/refind.conf，一般由refind-install命令生成。

rEFInd的配置文件比较简单，但功能强大，可以定制各种启动项。rEFInd的主题也可以定制，相对比较简单。

rEFInd安装

rEFInd的安装比较简单，可以直接下载rEFInd的安装包，解压到EFI分区中。也可以使用refind-install命令安装rEFInd。

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refind-install

安装完成后，rEFInd会在EFI分区中创建EFI/refind目录，其中包含了rEFInd的引导文件和配置文件。

rEFInd配置

rEFInd的配置文件是/boot/efi/EFI/refind/refind.conf，可以通过编辑这个文件来配置rEFInd的启动项。

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sudo vim /boot/efi/EFI/refind/refind.conf

  1. 启动项的配置

    rEFInd中启动项的配置比较简单，例如：

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    timeout 5
hideui singleuser
scanfor manual,external
    • timeout：启动菜单显示的时间，单位为秒。
    • hideui：隐藏启动菜单，只显示单用户模式。
    • scanfor：扫描启动项的方式，可以扫描手动配置的启动项，也可以扫描外部设备的启动项。

  2. 定制主题

    rEFInd的主题可以定制，可以把想要的主题文件放在/boot/efi/EFI/refind/theme目录下。主题文件是一个CSS文件，可以修改颜色、字体、背景等。

    在配置文件/boot/efi/EFI/refind/refind.conf中可以指定主题文件：

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    include themes/theme-name/theme.conf

  3. 屏蔽启动项

    有时候rEFInd会扫描到很多不需要的启动项，例如如果你在安装系统时选择了使用Grub2作为启动加载器（Deepin, Fedora等系统会默认安装Grub2，而且似乎没法在安装时取消），那么rEFInd会扫描到Grub2的启动项。你可以通过配置文件/boot/efi/EFI/refind/refind.conf来屏蔽这些启动项。rEFInd可以选择忽略某些文件（dont_scan_files）、工具（dont_scan_tools）、目录（dont_scan_dirs）和磁盘（dont_scan_volumes）。

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    dont_scan_files shim.efi,mmx64.efi
dont_scan_dirs ESP:/EFI/ubuntu,EFI/deepin,EFI/fedora

问题解决

  1. 在SD卡或U盘上安装系统

    • 如果你的电脑有SD卡插槽，你可以选择把系统安装在SD卡上。
    • 跟上面讲的安装多个操作系统的方法相似，在SD卡上安装操作系统也有两种EFI分区方式，一种是在SD卡上创建一个EFI分区，另一种是在安装系统时把硬盘上的EFI分区挂载到/boot/efi。
    • 对于/boot分区，可以选择直接在SD卡上创建，也可以先在硬盘上创建一个大小约为500M的ext4分区，然后在安装系统时把它挂载到/boot。/boot里主要存放内核文件和引导文件，通常200M左右的空间就够了，但是如果你选择备份多个内核，那么就需要更大的空间。Fedora系统会限制/boot分区不小于512M。
    • 如果你选择把/boot分区放在SD卡上，你可能会遇到一些安全方面的限制，例如Secure Boot可能会阻止从SD卡启动。你需要注册注册密钥，或者关闭Secure Boot。
    • 我一般选择把EFI分区和/boot分区都放在硬盘上。

    我还没试过在U盘上安装系统，不过原理应该和在SD卡上安装是一样的。

  2. Fedora无法启动

    在SD卡上安装了Fedora系统后，我遇到了系统无法启动的问题。rEFInd可以扫描到Fedora的内核文件vmlinuz-xxx和initramfs-xxx.img，但是启动到一半会卡住，报错：

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    Failed to switch root: Specified switch root path /sysroot does not seem to be an OS tree. os-release file is missing.
initrd-switch-root.service: Main process exited, code=exited, status=1/FAILURE
initrd-switch-root.service: Failed with result 'exit-code'.
Failed to start initrd-switch-root.service: Switch Root.
Startup finished in 1.073s (kernel) + 1.000s (initrd) + 1.000s (userspace) = 3.073s.
initrd-switch-root.service: Triggering OnFailure= dependencies.
Started emergency.service - Emergency Shell.

    在Emergency Shell中查看后发现，/sysroot目录为空，没有任何文件。而正常情况下，加载内核和文件系统初始化后，/sysroot目录应该包含操作系统的文件。

    所以这个问题是因为在启动内核和初始化文件系统时，SD卡没有被正确挂载。你可以在Emergency Shell中手动挂载SD卡，然后exit退出Emergency Shell，系统就可以正常启动了。

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    mount /dev/sda1 /sysroot
exit

    但显然这不是一个好的解决方案，因为每次启动都要手动挂载SD卡。所以正确的解决方案是让rEFInd在启动内核时正确挂载SD卡，这需要给启动选项添加一个root参数，指定根目录。你可以在rEFInd的配置文件/boot/efi/EFI/refind/refind.conf中添加一个带有options参数的菜单项。

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    menuentry "Fedora" {
    volume "SD-boot"
    loader /vmlinuz-xxx
    initrd /initramfs-xxx.img
    options "root=/dev/sda1"
}

    然而，这个解决方案也不是很好，因为

    • 在每次更新内核后，你都需要手动修改rEFInd的配置文件。
    • 如果你有多个内核，这个菜单项不能自动生成子菜单，你需要手动添加每个内核的菜单项。

    所以，更好的解决方案是让整个boot分区里的内核文件和引导文件都使用整个选项。做法是在/boot分区的根目录下创建一个refind_linux.conf文件，然后在rEFInd的配置文件/boot/efi/EFI/refind/refind.conf中添加一个root参数。

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    "Boot with standard options" "root=/dev/sda1"

    问题终于解决了！

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