컴퓨터 부팅 과정(Computer Boot Sequence)

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예전에 과제 수행하면서 정리했던 Boot Sequence 관련 자료가 있어서 블로그에 올려 놓는다.

컴퓨터공학을 전공했지만... 많이들 놓치고 있는 지식이랄까?

그리 자세하게 정리하진 않았고, 그냥 흥미로울 정도로만 정리해놓았다.

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 컴퓨터를 부팅하기 위해서 가장 먼저 컴퓨터 본체의 전원 버튼을 눌러야 한다. 이 전원 버튼을 누르게 되면 컴퓨터의 메인보드(마더보드)의 전원이 켜지게 되며, 켜진 메인보드는 컴퓨터 본체 내의 펌웨어(칩셋 및 기타 등)를 초기화시키고 CPU를 동작시키는 일을 한다.

그림 1. 전체적인 컴퓨터 부팅 과정

(출처 - https://neosmart.net/wiki/windows-xp-boot-process/)

CPU가 정상적으로 작동을 한다면, 다중 프로세서 또는 다중 코어 시스템을 이용할 시 하나의 CPU가 Bootstrap Processor(BSP)로 선택되고 이 BSP는 모든 BIOS와 Kernel의 초기화 코드를 동작시킨다. 이때 BIOS는 Basic Input/Output System의 준말로, CPU가 BIOS 코드를 실행함으로써 컴퓨터에 입력과 출력에 필요한 기능들이 제대로 활성화되어 있는지 확인(test)한 후 초기화하는 과정을 거치게 된다. 이때 주변장치로 붙어있는 CPU나 RAM, USB와 같은 주변 장치의 입력에 대해서도 정상적으로 돌아가는지 확인하게 되는데, 이를 POST(Power On Self Test)라고 한다. POST는 주변 장치의 상태 확인 및 초기화 작업과 함께, 모든 리소스들(Interrupt, 메모리 범위, I/O 포트 등)을 정리하는 작업도 진행된다. 그리고 요즘 BIOS는 확인된 장치들에 대하여 Data Table을 만들기도 하며, 이 Table은 후에 Kernel이 사용한다.

POST가 끝난 후, 컴퓨터는 이제 어떤 운영체제를 선택할 지 결정한다. 이를 위해 BIOS는 HDD의 첫 512바이트 섹터(Sector 0)를 읽는다. 이 처음으로 읽어내는 섹터를 MBR(Master Boot Record)라 하며, BIOS는 이 MBR을 읽어 메모리 0x7c00 위치에 로드(load)하고 0x7c00 위치로 점프(Jump)하여 MBR에 있는 코드를 실행시킨다.

그림 2. Sector 0에 위치한 MBR과 MBR 구성 내용

MBR에는 부트로더(Bootloader)를 포함하고 있으며, 이 부트로더는 부팅이 가능한 파티션을 찾음으로써 어떤 운영체제를 부팅할 지 선택한다. 마지막으로 선택된 운영체제의 Kernel은 RAM에 적재되고 이후로 컴퓨터 부팅이 완료된다.