Quá trình khởi động boot máy tính là gì năm 2024

Khi bật, máy tính có trạng thái “trống”, có nghĩa là không có chương trình nào trong bộ nhớ của nó và không thể truy cập các thành phần của nó.

Bộ tải khởi động giúp tải hệ điều hành hoặc môi trường thời gian chạy (runtime environment) để thêm chương trình vào bộ nhớ và cung cấp quyền truy cập cho các thành phần. Nó là thành phần cần thiết để chạy quá trình khởi động, khởi tạo phần cứng và chuyển quyền điều khiển cho nhân để nhân khởi tạo hệ điều hành.

BIOS

Các thành phần chính của bộ tải khởi động bao gồm hệ thống đầu vào/đầu ra cơ bản (BIOS), firmware có trong Bộ nhớ ROM (Read-Only Memory) của PC. Khi PC được bật, BIOS sẽ chạy trước khi bất kỳ chương trình nào khác chạy.

BIOS bao gồm các thành phần sau:

• POST (Power On Self Test, hay Tự kiểm tra khi bật nguồn)
• Trình tải khu vực khởi động (Boot Sector Loader)
• BIOS ngắt (BIOS interrupts)
• Menu cài đặt

Menu cài đặt giúp điều chỉnh các thông số của bootloader. Các phiên bản BIOS hiện đại được sử dụng để đặt các tham số khác nhau. Điều này bao gồm thứ tự khởi động, thứ tự này xác định các thiết bị mà BIOS kiểm tra trước khi khởi động.

Boot Sector Loader tải 512 byte đầu tiên từ đĩa khởi động vào RAM.

BIOS interrupts là trình điều khiển thiết bị được bộ tải khởi động dựa vào để truy cập màn hình, bàn phím và đĩa. Không phải tất cả các hệ điều hành đều sử dụng BIOS interrupts.

Ngoài BIOS, còn có các ROM mở rộng. BIOS chính có thể khởi động các ROM mở rộng.

Bộ tải khởi động thường bao gồm ba chương trình:

• Một chương trình khu vực khởi động (boot sector program) được BIOS tải trực tiếp khi khởi động
• Chương trình tiến trình thứ hai (second stage program) được tải bởi chương trình khu vực khởi động để hoàn tất quá trình khởi động
• Trình cài đặt bootloader để cài đặt bộ tải khởi động và chương trình tiến trình thứ hai trong đĩa khởi động.

BIOS UEFI

Các yêu cầu phát triển của người dùng máy tính đã dẫn đến việc tạo ra một phiên bản hiện đại cho BIOS.

UEFI (Unified Extensible Firmware Interface, hay Giao diện firmware mở rộng hợp nhất) là một hệ điều hành mini tải bộ tải khởi động vào bộ nhớ trước khi thực hiện các quy trình hoạt động bổ sung.

Mặc dù nó có một số điểm tương đồng với BIOS, nhưng một số điểm khác biệt chính đã khiến nhiều người coi UEFI là một phần mở rộng hơn là một sự thay thế cho BIOS truyền thống.

Một trong những điểm khác biệt chính giữa UEFI và BIOS là cách UEFI cung cấp giao diện hoạt động cho máy tính và sử dụng các cơ chế cũng như chức năng mới. Ngoài ra, mặc dù UEFI không xác định toàn bộ firmware nên được lập trình như thế nào, nhưng nó sẽ ảnh hưởng đến giao diện giữa firmware và hệ điều hành.

Chương trình UEFI được đặt vĩnh viễn trên chip bộ nhớ trên bo mạch chủ. Điều này có nghĩa là nó được giữ lại ngay cả khi không có điện. Một lớp vận hành duy nhất được sử dụng để giao tiếp giữa firmware và hệ điều hành. Chế độ UEFI có thể được khởi tạo trước khi khởi động hệ điều hành.

Một số ưu điểm chính của UEFI là:

• Nó không yêu cầu một hệ điều hành đang hoạt động cho chức năng mạng
• Khả năng sử dụng tốt hơn thông qua việc dùng chuột máy tính và giao diện người dùng đồ họa
• Cải thiện bảo mật thông qua tính năng Khởi động an toàn (Secure Boot)
• Một cấu trúc mô-đun linh hoạt giúp nó thích ứng với các môi trường phần cứng đặc biệt
• Trình quản lý khởi động (Boot manager) nhằm quản lý các bộ tải khởi động khác nhau cho các hệ điều hành khác nhau
• Một công cụ dòng lệnh để chẩn đoán và khắc phục sự cố

Mục đích của Khởi động an toà là để cải thiện bảo mật. Các phần của chương trình cơ sở UEFI, bộ tải khởi động và nhân hệ điều hành phải được xác minh trước khi khởi động. Các thành phần được xác minh bằng chữ ký số mật mã trong cơ sở dữ liệu chữ ký của chương trình cơ sở UEFI. Quá trình khởi động hệ thống có thể bị hủy nếu kiểm tra bảo mật không được thông qua.

Trong môi trường chuyên nghiệp, Khởi động an toàn thường được sử dụng với một thành phần phần cứng. Trusted Platform Module (TPM) là thành phần chính của Khởi động an toàn, cung cấp các tính năng bảo mật cho máy tính.

Khi so sánh với phương pháp khởi động hệ thống BIOS truyền thống, UEFI có những ưu điểm sau:

• Cho phép cài đặt đồng thời nhiều hệ điều hành có trình quản lý khởi động riêng.
• Khởi động nhanh hơn các hệ thống BIOS cũ
• Hỗ trợ các ứng dụng khởi động trước

Ngày nay, một NVRAM (non-volatile random access memory) được sử dụng cho các cài đặt liên quan đến khởi động. Các cài đặt được lưu trữ sau khi tắt máy tính. Một lượng nhỏ năng lượng từ pin bo mạch chủ được sử dụng.

Bộ tải khởi động hoạt động như thế nào?

Sau khi bật máy tính, thông tin về phần cứng đã cài đặt sẽ xuất hiện trên màn hình. Bộ tải khởi động đặt hệ điều hành của nó vào bộ nhớ. BIOS thực hiện các kiểm tra trước khi chuyển điều khiển sang Bản ghi khởi động chính (Master Boot Record, hay MBR), chứa bộ tải khởi động.

Rất nhiều bộ tải khởi động được cấu hình để cung cấp cho người dùng các tùy chọn khởi động khác nhau. Các tùy chọn bao gồm các hệ điều hành, các phiên bản khác nhau của cùng một hệ điều hành, tùy chọn tải hệ điều hành và các chương trình chạy không có hệ điều hành.

Trong một số trường hợp nhất định, một thiết bị có thể có hai hệ điều hành. Bộ tải khởi động có thể được sử dụng trên các thiết bị này để tự động khởi động đúng hệ điều hành mà người dùng lựa chọn. Nó cũng có thể được sử dụng để khởi động hệ điều hành vào chế độ an toàn (safe mode).

Bạn có thể sử dụng bộ tải khởi động để khởi động vào một chương trình mà không cần phải khởi động hệ điều hành. Điều này có thể hữu ích với các thiết bị như bảng điều khiển trò chơi (game console). Sau khi đĩa game được đưa vào bảng điều khiển và bật bảng điều khiển, người dùng sẽ được đưa thẳng đến trò chơi thay vì màn hình chào mừng.