安装系统前你需要了解的 MBR， GPT，Legacy，EFI基础

本教程参考的相关内容如下：
鸟哥私房菜
维基百科EFI
维基百科GPT
CSDN博客几篇：
https://blog.csdn.net/qq_24965035/article/details/51659697
https://blog.csdn.net/yeshahayes/article/details/52806095
https://blog.csdn.net/u013201439/article/details/50273113

MBR分区格式

主引导记录（Master Boot Record，缩写：MBR），又叫做主引导扇区，是计算机开机后访问硬盘时所必须要读取的首个扇区，一般就是磁盘的第一个扇区。

开机管理程序纪录区与分区表则通通放在磁盘的第一个扇区，这个扇区通常是512Bytes的大小（旧的磁盘扇区都是 512Bytes喔！，所以说第一个扇区512Bytes会有这两个数据

• 主要开机记录区（Master Boot Record, MBR）：可以安装开机管理程序的地方，有446 Bytes
• 分区表（partition table）：记录整颗硬盘分区的状态，有64 Bytes

由于分区表所在区块仅有64Bytes容量，因此最多仅能有四组记录区，每组记录区录了该区段的启始与结束的柱面号码。 若将硬盘以长条形来看，然后将柱面以直条图来看，那么那64Bytes的记录区段有点像下面的图示：

上图中我们假设硬盘只有400个柱面，共分区成为四个分区，第四个分区所在为第301到400号柱面的范围。当你的操作系统为Windows时，那么第一到第四个分区的代号应该就是C, D, E, F，当你有数据要写入F盘时， 你的数据会被写入这颗磁盘的301~400号柱面之间的意思。

由于分区表就只有64Bytes而已，最多只能容纳四笔分区的记录， 这四个分区的记录被称为主要（Primary）或延伸（Extended）分区。根据上面的图示与说明，我们可以得到几个重点信息：

• 其实所谓的“分区”只是针对那个64Bytes的分区表进行设置而已！
• 硬盘默认的分区表仅能写入四组分区信息
• 这四组分区信息我们称为主要（Primary）或延伸（Extended）分区
• 分区的最小单位“通常”为柱面（cylinder）
• 当系统要写入磁盘时，一定会参考磁盘分区表，才能针对某个分区进行数据的处理

既然分区表只有记录四组数据的空间，那么是否代表我一颗硬盘最多只能分区出四个分区？当然不是啦！有经验的朋友都知道， 你可以将一颗硬盘分区成十个以上的分区的！那又是如何达到的呢？在Windows/Linux系统中， 我们是通过刚刚谈到的延伸分区（Extended）的方式来处理的啦！延伸分区的想法是： 既然第一个扇区所在的分区表只能记录四笔数据， 那我可否利用额外的扇区来记录更多的分区信息？实际上图示有点像下面这样

实际上延伸分区并不是只占一个区块，而是会分布在每个分区的最前面几个扇区来记载分区信息的！同时在上图当中，我们知道硬盘的四个分区记录区仅使用到两个，P1为主要分区，而P2则为延伸分区。请注意， 延伸分区的目的是使用额外的扇区来记录分区信息，延伸分区本身并不能被拿来格式化。 然后我们可以通过延伸分区所指向的那个区块继续作分区的记录。如上图右下方那个区块有继续分区出五个分区， 这五个由延伸分区继续切出来的分区，就被称为逻辑分区（logical partition）。 同时注意一下，由于逻辑分区是由延伸分区继续分区出来的，所以他可以使用的柱面范围就是延伸分区所设置的范围喔！ 也就是图中的101~400啦！

• P1:/dev/sda1
• P2:/dev/sda2
• L1:/dev/sda5
• L2:/dev/sda6
• L3:/dev/sda7
• L4:/dev/sda8
• L5:/dev/sda9

仔细看看，怎么设备文件名没有/dev/sda3与/dev/sda4呢？因为前面四个号码都是保留给Primary或Extended用的嘛！ 所以逻辑分区的设备名称号码就由5号开始了！这在 MBR方式的分区表中是个很重要的特性，不能忘记喔！
MBR总结如下：

• 主要分区与延伸分区最多可以有四笔（硬盘的限制）
• 延伸分区最多只能有一个（操作系统的限制）
• 逻辑分区是由延伸分区持续切割出来的分区；
• 能够被格式化后，作为数据存取的分区为主要分区与逻辑分区。延伸分区无法格式化；
• 逻辑分区的数量依操作系统而不同，在Linux系统中SATA硬盘已经可以突破63个以上的分区限制；
• 延伸分区是主分区的一种，里面以链表形式记录了逻辑驱动器的引导记录。

举个例子如下：在Windows操作系统当中，如果你想要将D与E盘整合成为一个新的分区，而如果有两种分区的情况如下图所示， 图中的特殊颜色区块为D与E盘的示意，请问这两种方式是否均可将D与E整合成为一个新的分区？

上图可以整合：因为上图的D与E同属于延伸分区内的逻辑分区，因此只要将两个分区删除，然后再重新创建一个新的分区，就能够在不影响其他分区的情况下，将两个分区的容量整合成为一个。

下图不可整合：因为D与E分属主分区与逻辑分区，两者不能够整合在一起。除非将延伸分区破坏掉后再重新分区。 但如此一来会影响到所有的逻辑分区，要注意的是：如果延伸分区被破坏，所有逻辑分区将会被删除。 因为逻辑分区的信息都记录在延伸分区里面嘛！

GPT分区格式

全局唯一标识分区表（GUID Partition Table，缩写：GPT）是一个实体硬盘的分区表的结构布局的标准它是可扩展固件接口（UEFI）标准（被Intel用于替代个人计算机的BIOS）的一部分。
因为过去一个扇区大小就是 512Bytes 而已，不过目前已经有 4K 的扇区设计出现！为了相容于所有的磁盘，因此在扇区的定义上面， 大多会使用所谓的逻辑区块位址（Logical Block Address, LBA）来处理。GPT 将磁盘所有区块以此 LBA（默认为512Bytes 喔！） 来规划，而第一个 LBA 称为 LBA0 （从 0 开始编号）。与 MBR 仅使用第一个 512Bytes 区块来纪录不同， GPT 使用了 34 个 LBA 区块来纪录分区信息！同时与过去 MBR 仅有一的区块，被干掉就死光光的情况不同， GPT 除了前面 34 个 LBA 之外，整个磁盘的最后 33 个 LBA 也拿来作为另一个备份！这样或许会比较安全些吧！详细的结构有点像下面的模样：

• 传统MBR (LBA 0)
  在GPT分区表的最开头，出于兼容性考虑仍然存储了一份传统的MBR，用来防止不支持GPT的硬盘管理工具错误识别并破坏硬盘中的数据，这个MBR也叫做保护MBR
• 分区表头（LBA 1）
  分区表头定义了硬盘的可用空间以及组成分区表的项的大小和数量，同时纪录了备份用的 GPT 分区 （就是前面谈到的在最后 34 个 LBA 区块） 放置的位置， 同时放置了分区表的检验机制码 （CRC32），操作系统可以根据这个检验码来判断 GPT 是否正确。若有错误，还可以通过这个纪录区来取得备份的 GPT（磁盘最后的那个备份区块） 来恢复 GPT 的正常运行！
• 分区表项（LBA 2–33）
  从 LBA2 区块开始，每个 LBA 都可以纪录 4 笔分区纪录，所以在默认的情况下，总共可以有 432 = 128 笔分区纪录喔！因为每个 LBA 有 512Bytes，因此每笔纪录用到 128 Bytes 的空间，GPT分区表使用简单而直接的方式表示分区。一个分区表项的前16字节是分区类型GUID。例如，EFI系统分区的GUID类型是{C12A7328-F81F-11D2-BA4B-00A0C93EC93B}。接下来的16字节是该分区唯一的GUID（这个GUID指的是该分区本身，而之前的GUID指的是该分区的类型），剩下的64bits 来记载开始/结束的扇区号码，因此，GPT 分区表对於单一分区来说， 他的最大容量限制就会在“ 264 * 512Bytes = 263 * 1KBytes = 233TB = 8 ZB ”，要注意 1ZB = 230TB 啦！ 你说有没有够大了？

GPT总结：

• GPT分区是硬盘分区表的结构布局，可以支持2T(MBR最大容量）以上的容量
• 可以不受限于主分区的个数（MBR为4）
• 由于表头和表尾都存有分区信息，更为安全

在了解了两种主要的分区表之后，现在来解释boot，MBR+Legacy, GPT+EFI的计算机启动过程

Boot

启动用英文来讲是boot，但是boot的意思是靴子，靴子又怎么和计算机的启动联系起来呐，这里的boot是bootstrap（鞋带）的缩写，它来自一句谚语：“pull oneself up by one’s bootstraps”。其字面意思就是拽着鞋带把自己拉起来，这当然是不可能的事情。最早的时候，工程师们用它来比喻，计算机启动是一个很矛盾的过程：必须先运行程序，然后计算机才能启动，但是计算机不启动就无法运行程序！
早期是这样，必须想尽各种办法，把一小段程序装进内存，然后计算机才能正常运行。所以，工程师们把这个过程叫做”拉鞋带”，久而久之就简称为boot了。

MBR+legacy

也就是传统的BIOS启动方式，相对应的刚是新型UEFI BIOS+GPT的启动方式。计算机里面有CMOS和BIOS两个东西，CMOS是记录各项硬件参数且嵌入在主板上面的储存器，BIOS则是一个写入到主板上的一个固件（再次说明， 固件就是写入到硬件上的一个软件程序）。这个BIOS就是在开机的时候，计算机系统会主动执行的第一个程序了！

1. BIOS加电（台湾用语：引导）自检（Power On Self Test – POST）。BIOS执行内存地址为FFFF:0000H处的跳转指令，跳转到固化在ROM中的自检程序处，对系统硬件（包括内存）进行检查。
2. 读取主引导记录（MBR），当BIOS检查到硬件正常并与CMOS中的设置相符后，按照CMOS中对启动设备的设置顺序检测可用的启动设备。BIOS将相应启动设备的第一个扇区（也就是MBR扇区）读入内存地址为0000:7C00H处。
3. 检查0000:7DFEH-0000:7DFFH（MBR的结束标志位）是否等于55AAH，若不等于则转去尝试其他启动设备，如果没有启动设备满足要求则显示"NO ROM BASIC"然后死机。
4. 当检测到有启动设备满足要求后，BIOS将控制权交给相应启动设备。启动设备的MBR将自己复制到0000:0600H处，然后继续执行。MBR这个仅有446 Bytes的硬盘容量里面会放置最基本的开机管理程序， 此时BIOS就功成圆满，而接下来就是MBR内的开机管理程序的工作了

也就是：

1. BIOS：开机主动执行的固件，会认识第一个可开机的启动设备；
2. MBR：第一个可开机启动设备的第一个扇区内的主要开机记录区块，内含开机管理程序；
3. 开机管理程序（boot loader）：一支可读取核心文件来执行的软件；
4. 核心文件：开始操作系统的功能…

第二点要注意，如果你的分区表为GPT 格式的话，那么BIOS也能够从LBA0 的MBR相容区块读取第一阶段的开机管理程序码， 如果你的开机管理程序能够认识GPT 的话，那么使用BIOS同样可以读取到正确的操作系统核心喔！换句话说， 如果开机管理程序不懂GPT ，例如Windows XP 的环境，那自然就无法读取核心文件，开机就失败了，一般来说GPT分区中的系统核心是放在ESP分区当中的，要找到ESP分区，前提就是开机管理程序懂GPT分区。
由上面的说明我们会知道，BIOS与MBR都是硬件本身会支持的功能，至于Boot loader则是操作系统安装在MBR上面的一套软件了。由于MBR仅有446Bytes而已，因此这个开机管理程序是非常小而美的。 这个boot loader的主要任务有下面这些项目：

• 提供菜单：使用者可以选择不同的开机项目，这也是多重开机的重要功能！
• 载入核心文件：直接指向可开机的程序区段来开始操作系统；
• 转交其他loader：将开机管理功能转交给其他loader负责。

上面前两点还容易理解，但是第三点很有趣喔！那表示你的计算机系统里面可能具有两个以上的开机管理程序呢！那表示你的计算机系统里面可能具有两个以上的开机管理程序呢！有可能吗？我们的硬盘不是只有一个MBR而已？是没错啦！但是开机管理程序除了可以安装在MBR之外， 还可以安装在每个分区的开机扇区（boot sector）喔！瞎密？分区还有各别的开机扇区喔？没错啊！这个特色才能造就“多重开机”的功能啊！
比如你如果将ubuntu和windows同时装在一个MBR分区当中，通过BIOS界面下调整它们的启动顺序则是调整MBR里面的开机管理程序的顺序。如果只有一个开机管理程序在MBR当中，则该开机管理程序会转交给其他的Loader来实现多重开机。
再比如你的个人计算机只有一个硬盘，里面切成四个分区，其中第一、二分区分别安装了Windows及Linux，你要如何在开机的时候选择用Windows还是Linux开机呢？假设MBR内安装的是可同时认识Windows/Linux操作系统的开机管理程序，

MBR的开机管理程序提供两个菜单，菜单一（M1）可以直接载入Windows的核心文件来开机；菜单二（M2）则是将开机管理工作交给第二个分区的开机扇区（boot sector)。当使用者在开机的时候选择菜单二时，那么整个开机管理工作就会交给第二分区的开机管理程序了。当第二个开机管理程序启动后，该开机管理程序内（上图中）仅有一个开机菜单，因此就能够使用Linux的核心文件来开机啰。这就是多重开机的工作情况啦！
总结如下：

• 每个分区都拥有自己的开机扇区（boot sector)。
• 图中的系统盘为第一及第二分区，
• 实际可开机的核心文件是放置到各分区内的！
• loader只会认识自己的系统盘内的可开机核心文件，以及其他loader而已；
• loader可直接指向或者是间接将管理权转交给另一个管理程序。

那现在请你想一想，为什么人家常常说：“如果要安装多重开机，最好先安装Windows再安装Linux”呢？这是因为：
Linux在安装的时候，你可以选择将开机管理程序安装在MBR或各别分区的开机扇区， 而且Linux的loader可以手动设置菜单（就是上图的M1, M2…），所以你可以在Linux的boot loader里面加入Windows开机的选项；Windows在安装的时候，他的安装程序会主动的覆盖掉MBR以及自己所在分区的开机扇区，你没有选择的机会， 而且他没有让我们自己选择菜单的功能。因此，如果先安装Linux再安装Windows的话，那MBR的开机管理程序就只会有Windows的项目，而不会有Linux的项目（因为原本在MBR内的Linux的开机管理程序就会被覆盖掉）。 那需要重新安装Linux一次吗？当然不需要，你只要用尽各种方法来处理MBR的内容即可。 例如利用Linux的救援模式来挽救MBR啊！
以windows启动过程为例，我们来看看windows的具体启动：
系统启动时顺序BIOS->MBR->DPT->PBR->寻找根目录下bootmgr(WIN7/Vista)/grldr(Grub)/btldr.mbr(Boot Link)->\boot\bcd->winload.exe->内核
其中引导配置数据库（BCD）写入的是winload的加载位置，目前内置用于管理配置数据库的公用程序为"bcdedit.exe；若要快速设置系统分区或是修复错误的引导选项则使用"bcdboot.exe"公用程序；其他用于管理BCD的工具还有EasyBCD、Bootice或是WMI等工具修改BCD。

GPT+UEFI

统一可扩展固件接口（英语：Unified Extensible Firmware Interface，缩写UEFI）是一种个人计算机系统规格，用来定义操作系统与系统固件之间的软件界面，作为BIOS的替代方案。也就是说，现在加电后首先进入的不再是BIOS，而是UEFI接口。UEFI在概念上非常类似于一个低阶的操作系统，并且具有操控所有硬件资源的能力。而平时我们装机所说的进入BIOS，一来是因为现在大多数的固件是BIOS,和UEFI同时具备，所以这个固件不好命名，二来是没有将它们具体分开，只是称呼加电后进入的那个界面为BIOS。
UEFI主要是想要取代BIOS这个固件界面，因此我们也称 UEFI 为 UEFI BIOS 就是了。UEFI 使用 C 程序语言，比起使用组合语言的传统 BIOS 要更容易开发！也因为使用 C 语言来撰写，因此如果开发者够厉害，甚至可以在 UEFI 开机阶段就让该系统了解 TCP/IP 而直接上网！ 根本不需要进入操作系统耶！这让小型系统的开发充满各式各样的可能性！
UEFI相比于BIOS的好处在于：

1. 仅从系统启动原理方面来做比较。UEFI之所以比BIOS强大，是因为UEFI本身已经相当于一个微型操作系统，其带来的便利之处在于：首先，UEFI已具备文件系统(操作系统组织管理文件的一种方法，直白点说就是把硬盘上的数据以文件的形式呈现给用户。Fat32、NTFS都是常见的文件系统类型)的支持，它能够直接读取FAT分区中的文件；
2. 其次，可开发出直接在UEFI下运行的应用程序，这类程序文件通常以efi结尾。既然UEFI可以直接识别FAT分区中的文件，又有可直接在其中运行的应用程序。那么完全可以将Windows安装程序做成efi类型应用程序，然 后把它放到任意fat分区中直接运行即可，如此一来安装Windows操作系统这件过去看上去稍微有点复杂的事情突然就变非常简单了，就像在Windows下打开QQ一样简单。而事实上，也就是这么一回事。
3. 开机速度上UEFI要比BIOS快上许多。
   具体差异可以用下表说明：
   
   由于过去cracker经常借由 BIOS 开机阶段来破坏系统，并取得系统的控制权，因此 UEFI 加入了一个所谓的安全启动（secure boot) 机制，Secure Boot只允许加载有适当数字签名的EFI驱动程序和EFI启动程序，操作系统核心也只加载有特定有效数字签名的驱动程序（尤其是Windows 10，当打开UEFI Secure Boot后，对驱动程序数字签名的检查更严格），因此 Secure Boot 可让引导过程更安全，但是可能会影响linux的安装，不过现在，Ubuntu、Fedora、openSUSE、RHEL（从RHEL 7开始）、CentOS（从CentOS 7开始）等Linux发行版已经支持Secure Boot。同时Secure Boot要求原生UEFI环境，即不能打开CSM，也就是打开Secure Boot的系统不支持Legacy引导及Legacy Option ROM。

UEFI的启动顺序如下：

1. UEFI：开机主动执行的固件，会认识第一个可开机的启动设备；
2. ESP：UEFI会调入执行EFI应用程序，这些EFI程序可以是OEM提供的硬件诊断软件，OEM提供的备份软件，操作系统的启动程序等等，也可以加载EFI驱动程序文件（如文件系统驱动程序），然后找到ESP分区当中的开机管理程序；
3. 开机管理程序（boot loader）：一支可读取核心文件来执行的软件；
4. 核心文件：开始操作系统的功能…

系统创建UEFI启动时，会创建ESP(EFI SYSTEM PARTITION），格式为FAT分区，该分区位置随意设置，可以在硬盘起始，中间，末尾，只要在硬盘的前2T空间内就可以，用于存放启动文件。
以windows为例，启动顺序如下

EFI/Boot/bootx64.efi(或bootia32.efi) > EFI/Microsoft/Boot/bootmgfw.efi >EFI/Microsoft/Boot/BCD >EFI/Microsoft/Boot/winload.efi

下面具体讲解每个步骤：
EFI\BOOT\bootx64.efi(bootia32.efi)是用于UEFI固件加载的启动文件，相当于BIOS里面的开机管理程序，然后它会根据开机菜单，加载BCD，这是一个存储启动配置且独立于硬件的数据库，它会确定加载哪个分区的winload.efi，这样就完成了启动。
要注意双系统的安装，其启动方式必须一致。虽然不一致可以通过某些软件来修复引导文件，但是如果引导文件出错容易引发一些模糊的问题
对于UEFI启动的windows加ubuntu双系统，在第一个启动盘ESP分区里会有两个系统的开机管理程序，它们的加载顺序可以在BIOS里面调整。
对于legacy启动的双系统，在MBR里面会有开机管理程序（boot loader），然后它可以提供菜单，以便加载其它loader。