故天将降大任于斯人也

自从在虚拟机中安装了Ubuntu25.04后，一直震惊于Ubuntu25的流畅度，但是受限于虚拟机的体验一般，非常希望能够体验直接在电脑上原生运行的Ubuntu，于是萌生了想要安装双系统的想法。

最开始想要将Linux系统安装在我的U盘上，实现想要运行linux时，随时插入U盘作为启动盘，并且U盘还可以随身携带，在任何地方，只要有一台电脑，就能启动一个属于我的小型Linux系统。想一想确实非常帅气，但是博主的U盘写入速度实在是太慢了，安装过程异常缓慢，多次让我怀疑是写入镜像的过程卡机了，还是U盘写入太慢了。

所以最终还是选择将Linux系统安装在电脑的两个固态硬盘中的另一个盘，实现一个盘安装Windows11，一个盘安装Ubuntu的效果。

安装在两个不同的盘有以下优点：

• 可以设置一个默认启动盘，开机时自动优先加载默认的系统，防止电脑远程开机时卡在引导程序界面
• 在需要进入另一个系统时，通过手动切换启动盘，实现启动到第二操作系统
• 防止两个系统的更新相互产生干扰
• 经过实测，Linux可以访问Windos系统下的所有文件，而Windows看不见Linux下的任何文件

环境说明：

• 一台以及安装好Windos11的联想拯救者R900p
• 插了两根固态硬盘，其中一个盘已经安装了Win11系统，另一个盘挂在为Windos11的一个文件盘
• 一个u盘

制作Linux镜像

准备工具：Rufus - 轻松创建 USB 启动盘

下载Ubuntu镜像：Ubuntu系统下载 | Ubuntu

打开rufus：博主选择如下

由于博主在第一次安装时，预留了10g的持久分区，但是不知为何在启动ubuntu时总是黑屏，所以这次还选择了检查设备坏块，实测这个步骤会非常慢，第一次尝试时可以先不用勾选最后的“检查设备坏块”

镜像制作好后，U盘会显示成这个样子：

分盘

右键“此电脑”，点击显示更多选项：

选择右侧的磁盘管理：

此时磁盘的情况如下：

磁盘0是我们安装Windos的硬盘，我们将要在磁盘1上安装Linux系统。

我们选择原本以及分配好的卷，右键：选择压缩卷

这里我们要压缩卷的大小就是将要分配给Linux的大小，博主这里分配了50GB = 1024 * 50 = 51200MB。

看到有50GB为分配即可

安装Ubuntu

现在我们将电脑关机，等待完全关机后，我们再次开机，同时连按F12(不同的电脑可能不是F12)，进入选择启动器的界面：

也可以进入BIOS，调整启动盘的顺序

我们这里选择第二个，即我们插入的U盘作为启动盘。

等待电脑启动，会看到这个界面：

我们可以优先选择第一个试一下，但是博主的电脑开了独显直连，由于驱动问题最终电脑屏幕背光不亮，无法正常显示。如果遇到显示问题，我们长按电源键强制关机，然后按照上面的步骤重新启动电脑，这此我们选择第二个：安全图像模式（有助于避免显卡驱动问题导致的花屏等）

这次很成功的进入了Ubuntu：

我们选择中文：

接下来一路点击下一步：

这一页注意勾选安装驱动

我这里选择了第一个会自动分区，希望自定义可以选择第三个。

第二个会擦除整个磁盘安装Linux，不建议选择。

点击一下国内的地图即可

这一步我们检查一下自动分区的方法，可以看到所有原本的分区都保持 Unchanged，然后 Creat了两个新的分区用于挂在EFI和系统根目录。这就是我们想要的效果，点击安装就行。

等待系统安装完成：

点击立即重启即可：

修改第一启动项

重启后，电脑开机会显示如下页面：

1. 进入Ubuntu
2. Ubuntu的高级选项
3. 内存测试
4. 内存测试
5. 进入Windos系统
6. 进入系统BIOS

以后每次开机，系统都会停留在这一界面一段时间，如果未选择，则会自动进入Ubuntu系统。

博主主要用Windos系统，希望每次开机可以直接进入Windows系统，所以我选择最后一个：

系统Bios显示如下：

ubuntu是第一启动项，我选择将Windos修改为第一启动项：

这样，每次开机会直接进入Windos，如果需要进入Linux，可以在开机时通过按F12进入切换页面。

电脑从开机到加载系统中间都发生了什么？

通电与硬件自检

这是最基础的物理和硬件层面：

1. 按下电源键：会向主板发送一个“开机”信号

2. 电源供应单元(PSU)响应：PSU收到信号后，开始进行自我检查。如果电压稳定且一切正常，他会向主板发送一个“Power Good”信号。表明可以开始安全供电

3. CPU启动：主板收到“Power Good”信号，开始将电力分配给所有关键部件，最重要的就是中央处理器(CPU)。CPU被激活并重置，然后去一个预先写死的、固定的内存地址去寻找他的第一行指令。

4. UEFI/BIOS 固件启动：CPU的第一行指令指向了主板上的一个芯片，这个芯片存储着“固件”。通常是非易失存储器ROM。现代电脑上，这套固件是UEFI(统一可扩展固件接口)，在老式电脑上则是BIOS(基本输入输出系统)。Win11要求必须为UEFI

5. 开机自检：UEFI的首要任务是进行POST(Power-On Self-Test)。他会快速的检查所有的核心硬件是否就位并能正常工作。

   • 内存
   • 显卡
   • 键盘、鼠标等外设
   • 硬盘/固态硬盘

   如果在这个阶段发现问题，可能会卡在开机第一屏，并且无法继续启动。

寻找并加载引导程序

确认硬件检查无误后，UEFI就需要找到操作系统的引导程序。

1. 确认启动顺序：UEFI会根据你在设置中预设的启动顺序(Boot Order),依次检查各个存储设备。
2. 定位EFI系统分区(ESP)：ESP分区专门用来存储操作系统的启动加载程序，无论是Windows，Linux，还是macOS。
3. 启动系统管理程序：以windows为例，我们可以在ESP分区中找到 bootmgfw.efi文件，这就是Windows启动管理器(Windows Boot Manager)。 针对Ubuntu可以找到：shimx64.efi和 grubx64.efi 他们两个协同工作

• shimx64.efi：是一个安全启动的加载程序，主要用于绕过安全启动的限制
• grubx64.efi：是GRUB(通用引导加载程序)的核心部分，负责加载Linux内核和初始RAM磁盘(initrd)

安全启动要求所有被执行的引导文件都必须有微软的数字签名。Canonical(Ubuntu的母公司)将shimx64.efi 这个小程序送过去给微软签名。因此UEFI固件会验证并信任这个文件。shimx64.efi启动后，它的任务就是去验证并加载下一个引导程序，也就是 grubx64.efi

Windows内核加载

现在，轮到Windows自己来接管了。

1. 读取启动配置数据(BCD)：Windows 启动器首先会读取BCD(Boot Configuration Data)文件，告诉启动管理器真正的windows11系统安装在那个分区，以及有哪些启动选项(正常启动/安全模式)。
2. 加载核心组件：根据BCD的指引，启动管理器会将Windows最核心的两个部分加载到内存中。
   • Windos内核(ntoskrnl.exe)
   • 硬件抽象层(hal.dll)
3. 加载关键驱动程序：内核启动后，会立即加载一批最关键的驱动程序

内核初始化与徽标亮起

Windows内核被完全加载到内存后，正式接管了计算机的控制权。

1. 初始化系统：内核开始初始化它所管理的各个子系统，启动必要的系统服务。
2. 加载显卡驱动并亮起屏幕

核心概念解释

BIOS(基本输入/输出系统)

英文全称：Basic Input/ Output System

BIOS是一套固化在主板上一个只读存储器芯片里的程序。他是电脑通电后第一个被唤醒和运行的软件。它诞生于上世纪70年代，服务了个人电脑几十年。

主要工作：

• 开机自检(POST)：检查CPU、内存、显卡等关键硬件是否存在且能基本工作。
• 初始化硬件：让硬件处于一个可用的状态
• 引导加载程序： 按照设定的顺序在存储设备的第一个扇区(主引导记录MBR)寻找启动代码，然后把控制权交给它，让它加载操作系统。

特点与局限：

• 16模式运行：速度慢，一次处理很少的信息
• 1MB寻址空间：只能识别和使用最初的1MB空间($2 ^ {16} = 1 MB$)
• MBR分区：MBR(主引导记录)分区表。MBR最大只支持2TB的硬盘，且最多只能有4个主分区。
• 文本界面：受限于性能影响，BIOS系统通常为蓝底白字的纯文本界面，只能用键盘操作。

MBR(主引导记录)

英文全称：Master Boot Record

MBR是传统的硬盘区分方案，自上世纪80年代开始，就一直是行业标准。它位于硬盘的最前端(第一个扇区)，是一个非常小的数据区域，仅有512字节。

MBR的结构和工作方式

这512字节被分成了三个部分：

1. 主引导代码(Master Boot Code)：一小段程序(约446字节)，任务是在BIOS完成自检后，找到被标记为”活动”的分区，然后加载该分区的操作系统。
2. 分区表(Partition Table)：记录硬盘分区信息的地方(64字节)。这是MBR的核心局限所在
3. 结束标志(Boot Signature)：最后两个字节 55AA，用来表示这是一个有效的MBR分区。

MBR的致命缺陷:

1. 最大只支持2TB硬盘：MBR使用32bit来记录扇区的地址。硬盘通常以512字节为一个扇区。则硬盘能表示的最大地址为：$2 ^{32} \times 512 = 2,199,023,255,552 字节$

以1024为单位进位则为2TB，以1000进位则为2.2TB。

2. 最多只支持四个主分区：64字节的分区表空间，每个分区信息占16个字节。所以最多只能创建4个主分区。为了解决这个问题，后来引入了”扩展分区”和”逻辑分区”的复杂概念，允许在一个扩展分区里创建多个逻辑分区，但这只是一个笨拙的补丁。
3. 数据安全性差：所有的分区信息都集中存放在硬盘开头的这一个扇区里。一旦这个扇区因为病毒、坏道、或误操作而损坏，整个硬盘的分区信息就全部丢失了。

UEFI(统一可扩展固件接口)

英文全称：Unified Extensible Firmware Interface

UEFI是一个全新的、更现代的电脑固件标准，旨在取代老旧的BIOS。它不在是一小段汇编代码，而更像是一个微型的、功能强大的操作系统，运行在操作系统之前。Windows11已经强制要求使用UEFI。

主要工作：

• 开机自检(POST)：同样执行硬件检查，但是速度更快、更全面。
• 提供丰富的预启动环境：它不再是简单的交接工作，而是提供了一个功能完备的”准备室”。
• 直接加载启动文件：它不再是去硬盘的第一个”扇区”盲找，而是直接去一个叫EFI系统分区的地方，读取启动加载程序文件(例如Windows的 bootmgfw.efi)

优势与特点：

• 32/64位模式：处理能力和速度远超BIOS
• 没有内存限制：可以访问计算机所有内存，运行更加复杂的程序。
• GPT分区：它使用GPT分区(GUID分区)来管理硬盘。GPT分区理论上支持18EB(约1800TB)的硬盘和最多128个主分区，彻底解决了容量和分区数量的限制。
• 图形化界面：受益于性能的提升，UEFI通常是有图形化界面的，支持鼠标操作。
• 安全启动(Secure Boot)：这是UEFI最重要的特性之一。它能确保在启动过程中，只加载有可信数字签名的启动程序和驱动，从而有效防止恶意软件在系统启动前就侵入电脑
• 扩展性强：UEFI是模块化设计的，厂商可以很方便地为其添加新功能，如硬件诊断工具、固件更新程序等。

EFI系统分区(ESP)

英文全称：EFI System Partition

ESP是UEFI的专属启动文件夹。ESP是采用GPT分区表的硬盘上，一个被格式化为FAT32的、相对较小的独立分区(通常为100MB~500MB)。这个分区是操作系统和UEFI固件之间沟通的桥梁。

主要工作：

• 存放引导加载程序：这是它最核心的功能。所有安装在该硬盘上的操作系统(无论是Windows、macOS还是Linux)都会把自己的启动加载程序文件存放在这个分区里。
• 存放驱动程序：UEFI可以在操作系统启动前加载一些硬件驱动程序。这些驱动文件也存放在ESP中。
• 存放系统工具：一些系统维护工具，如内存检测程序、固件更新程序、也会被存放在这里。

UEFI启动时，它不会再想BIOS那样去猜测启动代码的位置。而是直接挂载ESP分区，然后像打开文件夹一样，查找并运行指定的 .efi文件。这种方式更精确、更可靠、也更灵活，尤其是在多系统环境下，管理起来非常清晰。

GPT(GUID分区表)

GPT是一个与UEFI标准一同推出旨在取代MBR的全新分区方案。它解决了MBR的所有主要缺点。

GPT的结构与工作方式

GPT的设计要复杂和周全的多：

1. 保护MBR(Protective MBR)：在硬盘的第一个扇区，GPT仍然保留了一个”假的”MBR。它的作用是告诉那些只认识MBR的老旧系统和软件：“这个硬盘已经被占用了，请不要动它”，从而防止数据被意外破坏。
2. 主GPT头(Primary GPT Header)：紧跟在保护MBR后，它定义了分区表的位置、大小，并为整个硬盘创建了一个全局唯一标识符(GUID)
3. 分区条目(Partition Entries)：紧跟在主GPT头之后，这里是真正的”分区表”，它有比MBR大得多的空间，在Windows下默认可以创建多达128个主分区。
4. 备份GPT头和分区条目：在硬盘的末尾，完整的备份了一份GPT头和分区条目。

GPT的核心优势：

• 支持超大容量硬盘：GPT使用64bit来寻址，理论上可以支持的硬盘容量高达：9.4ZB(1 ZB = 10亿TB)。
• 支持超多分区
• 数据安全可靠：
  • 冗余备份：由于在硬盘末尾有一份完整的备份，如果主分区表损坏，系统可以自动从备份中恢复。
  • CRC32校验：GPT会对头部和分区表进行循环冗余校验(CRC32)。保证每次启动时，系统都会检查校验值是否正确。如果不正确，它就会尝试用备份来修复，从而保证了分区数据的完整性。