¶ Démarrage d’un PC x86_64 — du bouton Power au noyau Linux
On aborde ici ce qui se produit lors du démarrage d’un PC de type x86_64 (BIOS classique), depuis l’appui sur le bouton d’allumage jusqu’au lancement du système Linux utilisateur.
Et il s'en passe des choses en quelques secondes
¶ Vue d’ensemble de la chaîne de démarrage
Bouton Power
↓
PSU / POWER_GOOD
↓
CPU (real mode @ 0xFFFF0)
↓
BIOS
↓
MBR (@ 0x7C00)
↓
GRUB
↓
Kernel Linux (@ 0x100000)
↓
initramfs (RAM)
↓
switch_root
↓
/sbin/init (systemd)
¶ Appui sur le bouton d’allumage
¶ Aspect électrique
- Le bouton d’alimentation ne démarre pas directement le CPU.
- Il envoie un signal au PSU (Power Supply Unit).
- Le PSU initialise et stabilise les tensions :
- 3.3 V
- 5 V
- 12 V
- Lorsque les tensions sont stables, le PSU émet le signal POWER_GOOD vers la carte mère.
Tant que ce signal n’est pas présent, aucun composant logique n’exécute de code.
¶ 1. Reset du CPU — point d’entrée matériel
À la réception du signal POWER_GOOD :
- Le CPU sort de l’état de reset.
- Il démarre en real mode (héritage x86).
- Bus 16 bits, segmentation active.
- Accès mémoire limité à 1 Mo.
- MMU inactive.
¶ Qu’est-ce que la MMU ?
La MMU (Memory Management Unit) est un composant matériel du processeur (ou très proche du processeur) qui sert à traduire les adresses mémoire et à protéger l’accès mémoire.
Concrètement, quand la MMU est active, le CPU peut fonctionner avec deux notions d’adresses :
- Adresse virtuelle : celle que “voit” un programme (ex.
0x7fff...en userland) - Adresse physique : l’adresse réelle en RAM
La MMU permet :
- la mémoire virtuelle (un programme croit avoir un grand espace mémoire continu)
- la protection mémoire (un programme ne peut pas écrire n’importe où)
- l’isolation entre processus et entre userland / kernel
Ici, au reset, la MMU est inactive, donc :
- le CPU manipule des adresses “directes” (sans traduction complexe)
- le démarrage reste simple et prévisible, compatible avec l’héritage BIOS
¶ Registres initiaux imposés par l’architecture
¶ Qu’est-ce qu’un registre ?
Un registre est une minuscule zone de stockage dans le CPU (beaucoup plus rapide que la RAM), utilisée pour :
- garder des valeurs temporaires
- stocker des pointeurs/adresses
- contenir l’état du processeur
Sur x86, certains registres ont des rôles historiques très précis, notamment au boot.
CS = 0xF000
IP = 0xFFF0
¶ Que sont ces “adresses” et à quoi servent-elles ici ?
En real mode, l’adressage mémoire se fait via une logique de segmentation :
CS(Code Segment) indique le segment où se trouve le codeIP(Instruction Pointer) indique l’offset (position) de la prochaine instruction dans ce segment
L’adresse “physique” (réelle) est calculée ainsi :
- on décale
CSde 4 bits (×16), puis on ajouteIP
Autrement dit, la paire CS:IP sert à dire :
“La prochaine instruction à exécuter est située à l’adresse physique calculée à partir de ce segment + offset.”
Adresse physique calculée :
0xF0000 + 0xFFF0 = 0xFFFF0
Adresse d’exécution initiale : 0x000FFFF0
Cette adresse est câblée matériellement dans tous les CPU x86 compatibles.
C’est le seul point d’entrée possible après un reset.
¶ 2. BIOS — initialisation de la plateforme
À l’adresse 0xFFFF0, le CPU exécute une instruction de saut vers le code du BIOS, stocké en ROM / Flash.
¶ Rôles principaux du BIOS
- Initialisation minimale du CPU
- Détection et cartographie de la mémoire RAM
- Initialisation des contrôleurs :
- clavier
- vidéo (VGA)
- bus (PCI)
- Exécution du POST (Power-On Self Test)
- Recherche d’un périphérique bootable selon l’ordre configuré
Le BIOS prépare un environnement suffisamment stable pour charger le premier code disque.
¶ 3. Chargement du MBR (Master Boot Record)
¶ Qu’est-ce que le MBR et à quoi sert-il ?
Le MBR (Master Boot Record) est le tout premier secteur d’un disque bootable dans le schéma de partitionnement “classique” BIOS.
Il sert à deux choses :
- Contenir un minuscule code de démarrage (le “premier étage”)
- Décrire les partitions du disque via une table de partitions
Historique et contrainte importante :
- le MBR fait 512 octets, pas un de plus
- donc le code qu’il contient est volontairement minimal
- son rôle principal est de charger un bootloader plus évolué (ex. GRUB)
Une fois un disque bootable identifié, le BIOS :
- Lit le secteur 0 du disque (512 octets)
- Le charge à l’adresse mémoire :
0x00007C00
¶ Structure du MBR
- 446 octets : code d’amorçage
- 64 octets : table de partitions
- 2 octets : signature
0x55AA
Si la signature est valide, le BIOS exécute :
jmp 0x7C00
Adresse clé : 0x7C00
Toujours en real mode, sans MMU.
¶ 4. GRUB — chargeur de démarrage
GRUB est un bootloader multi-étapes, conçu pour dépasser les limitations du MBR.
¶ GRUB Stage 1
- Réside dans le MBR
- Code extrêmement réduit
- Rôle unique : charger l’étape suivante
¶ GRUB Stage 2
- Chargé depuis
/boot/grub - Active la ligne A20 (accès > 1 Mo)
- Passe en protected mode
- Accède à toute la mémoire RAM
- Comprend les systèmes de fichiers (ext*, FAT, etc.)
Adresse typique :
≥ 0x00100000
GRUB fournit :
- Un menu de démarrage
- Le choix du noyau
- La configuration des paramètres de boot
¶ 5. Chargement du noyau Linux
GRUB charge en mémoire trois éléments indissociables.
¶ 5.1 Le noyau Linux (vmlinuz)
¶ Qu’est-ce qu’un noyau (kernel) ?
Le noyau est le composant central du système d’exploitation : c’est le programme qui tourne avec les droits les plus élevés et qui fait l’interface entre :
- le matériel (CPU, RAM, disques, carte réseau, etc.)
- les programmes (shell, services, applications)
Il fournit notamment :
- la gestion des processus (création, planification)
- la gestion de la mémoire (allocation, protection, mémoire virtuelle)
- les pilotes de périphériques
- les systèmes de fichiers
- le réseau
- la sécurité de base (droits, isolation, contrôle d’accès)
Pendant le boot, le noyau passe d’un monde très “nu” (BIOS/GRUB) à un monde structuré :
-
modes CPU modernes (protected/long mode)
-
MMU active
-
drivers et subsystèmes initiaux
-
Image du noyau compressée
-
Décompressée par le noyau lui-même
-
Adresse d’exécution standard :
0x00100000 (1 MiB)
Cette adresse est choisie pour éviter toute collision avec les zones legacy.
¶ 5.2 L’initramfs — le système racine transitoire
L’initramfs (initial RAM filesystem) est un mini système de fichiers temporaire, chargé entièrement en mémoire vive, dont le rôle est de permettre au noyau Linux de préparer l’accès au système réel.
Il constitue le pont indispensable entre le noyau et le monde utilisateur.
¶ Nature de l’initramfs : archive cpio compressée
¶ Le format cpio
cpio(copy in / copy out) est un format d’archive Unix historique, volontairement simple.
Propriétés clés :
- structure linéaire
- pas de dépendance à un système de fichiers
- parsing trivial côté noyau
- parfaitement adapté à un usage en RAM
Le noyau Linux sait nativement :
- lire une archive
cpio - la décompresser
- l’exposer comme système de fichiers racine
¶ Compression
L’archive est presque toujours compressée afin de :
- réduire le temps de lecture disque
- limiter l’empreinte mémoire
Formats usuels :
gzipxzlz4zstd
Exemples de fichiers :
initramfs.img
initrd.img
initramfs-linux.img
Le noyau détecte automatiquement le format.
¶ Position mémoire de l’initramfs
Lors du chargement :
- GRUB charge le noyau (
~0x00100000) - GRUB charge l’initramfs juste après
- Les deux sont passés ensemble au noyau
[ Kernel Linux ] @ 0x00100000
[ initramfs ] @ adresse variable
L’initramfs n’est jamais monté depuis le disque.
Il est déjà en RAM au moment où le noyau commence son exécution.
¶ Rôle fonctionnel de l’initramfs
Au tout début du boot, le noyau :
- ne sait pas encore accéder aux disques complexes
- ne connaît pas le matériel exact
- ne peut pas toujours monter directement
/
L’initramfs agit comme un sas de démarrage.
Il permet notamment :
- le chargement des modules noyau
- l’initialisation de
/dev,/proc,/sys - la détection des disques :
- SATA, NVMe
- RAID
- LVM
- LUKS
- le montage du vrai système racine
¶ Contenu typique de l’initramfs
¶ Arborescence minimale
/
├── init
├── bin/
├── sbin/
├── lib/
├── lib64/
├── dev/
├── proc/
├── sys/
└── etc/
¶ /init — le cœur logique
- Script shell ou binaire
- Exécuté directement par le noyau
- Devient PID 1 temporaire
Responsabilités :
- monter les pseudo-filesystems
- charger les modules nécessaires
- localiser le vrai rootfs
- préparer la transition finale
¶ Modules noyau
¶ Qu’est-ce qu’un module noyau ?
Un module noyau est un morceau de code “optionnel” du noyau, chargeable à la demande, qui ajoute une fonctionnalité sans devoir recompiler ou redémarrer avec un autre noyau.
Typiquement, un module fournit :
- un pilote (carte réseau, stockage, virtualisation…)
- un système de fichiers
- une brique crypto, RAID, LVM…
Pourquoi c’est utile au boot :
-
on ne peut pas tout compiler “en dur” dans le noyau
-
certaines fonctionnalités ne sont nécessaires que dans certains cas
-
l’initramfs charge juste ce dont la machine a besoin pour atteindre le vrai rootfs
-
pilotes disque :
ahci,nvme,virtio -
systèmes de fichiers :
ext4,xfs,btrfs -
crypto :
dm-crypt -
RAID / LVM :
mdadm,dm-mod
Sans ces modules, le noyau ne voit pas le disque racine.
¶ Outils minimaux
Souvent basés sur BusyBox :
mountmodprobeblkidsh
Suffisant pour diagnostiquer et interagir.
¶ Le moment clé : switch_root
Lorsque le vrai rootfs est prêt :
switch_root /new_root /sbin/init
Effets :
- abandon complet de l’initramfs
- libération de la RAM
/sbin/initdevient PID 1 définitif
C’est la naissance officielle du système Linux utilisateur.
¶ 5.3 Ligne de commande du noyau
Transmise par GRUB, par exemple :
root=/dev/sda1 ro quiet
Elle influence directement le comportement du noyau et de l’initramfs.
¶ 6. Transfert de contrôle : GRUB → Linux
GRUB saute vers le point d’entrée du noyau.
À partir de cet instant :
- le CPU exécute du code Linux
- BIOS et GRUB sortent du chemin d’exécution
¶ 7. Early boot Linux
Le noyau :
- se décompresse en RAM
- passe du real mode au protected mode
- active le long mode (64 bits)
- initialise la MMU
- met en place les tables de pages
¶ Carte mémoire simplifiée
0x00000000 – 0x000FFFFF : BIOS / legacy
0x00100000 – : noyau Linux
¶ 8. Phase initramfs (rappel synthétique)
- montage du rootfs temporaire
- exécution de
/init - préparation du système réel
¶ 9. Passage au système réel
Après switch_root :
- systemd (ou autre init) prend le relais
- services utilisateurs démarrent
- le système est pleinement opérationnel
¶ Récapitulatif des adresses mémoire clés
| Étape | Adresse |
|---|---|
| Reset CPU | 0xFFFF0 |
| MBR | 0x7C00 |
| GRUB | ≥ 0x100000 |
| Kernel Linux | 0x100000 |
| Initramfs | Après le noyau |
Le démarrage d’un PC x86_64 est une chaîne déterministe, rigoureuse et progressive.
Chaque couche prépare la suivante, sans magie, uniquement par des conventions matérielles et logicielles.
C’est cette architecture qui permet à Linux de démarrer partout, de la VM de test au serveur de production.