[하드웨어 뜯어보기] 전원·펌웨어 #38 - 부팅 과정의 모든 것

깨어나서 스스로를 찾는 두뇌

펌웨어를 지나 운영체제의 세계로 입장하는 ‘자아 형성의 순간’

핵심요약
부팅 과정은 펌웨어 → 부트로더 → 커널 → 초기 프로세스 순으로 진행된다.
POST로 하드웨어를 점검하고, UEFI가 ESP에서 부트 매니저를 실행한다.
부트로더는 운영체제 커널을 메모리에 적재한다.
커널은 드라이버·메모리·파일시스템을 초기화하며 “운영체제의 뼈대”를 만든다.
이후 PID 1(init/systemd)가 시작되면서 OS가 살아난다.

 

부팅의 모든 것

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1. “부팅”은 무엇인가?

핵심 문장: 부팅은 컴퓨터가 자신을 인식하고, 스스로 움직일 수 있는 상태를 만드는 여정이다.

 

사람의 의식이 깨어나는 과정처럼 컴퓨터도 부팅을 통해 다음 사항들을 스스로 파악하고 준비합니다.

• 자신이 어떤 하드웨어를 갖고 있는지
• 어떤 저장장치를 사용할지
• 어떤 운영체제를 실행해야 하는지

이 여정은 단순히 ‘Windows 실행’이 아니라 CPU가 무(無)에서 논리적 세계로 올라오는 과정입니다.

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2. 부팅의 전체 흐름 요약

전체 부팅 과정은 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

1. Power On
2. Reset Vector → 펌웨어(BIOS/UEFI) 실행
3. POST
4. 드라이버 초기화
5. Boot Manager
6. Boot Loader
7. 커널 로딩
8. init/systemd 시작
9. 사용자 세션 진입

38편에서는 #37의 펌웨어 이후 단계부터 깊이 들어갑니다.

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3. POST 이후 — 부팅 장치를 찾는 과정

3-1. Boot Manager의 역할

UEFI는 Boot Order에 따라 다음 항목 중 어느 것을 부팅할지 결정합니다.

• NVMe SSD
• SATA SSD/HDD
• USB
• 네트워크 PXE
• 기타 EFI 앱

UEFI는 ESP(EFI System Partition)에서 \EFI\BOOT\BOOTX64.EFI와 같은 실행 파일을 찾아 실행합니다.

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4. Boot Loader - 운영체제로 향하는 관문

부트로더는 운영체제를 직접 실행하는 ‘문지기’입니다.

대표적인 부트로더

• Windows Boot Manager (bootmgfw.efi)
• GRUB (Linux)
• systemd-boot
• rEFInd
• shim + GRUB(Secure Boot 대응)

부트로더는 다음을 수행합니다.

1. OS 커널 파일 찾기
2. 커널을 메모리로 로딩
3. 필요한 파라미터(cmdline) 전달
4. 루트 파일시스템 식별
5. CPU 모드를 전환하여 커널에 제어권 넘김

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5. 운영체제 커널 로딩 - 시스템의 뼈대 형성

여기부터가 진정한 ‘운영체제의 세계’의 시작입니다. 부트로더가 커널 이미지를 메모리에 올리면 커널은 다음 순서로 초기화를 수행합니다.

5-1. 메모리 초기화

• 메모리 맵 파악 (UEFI로부터 전달)
• 가용 메모리/예약 메모리 구분
• 페이지 테이블 구성
• 가상 메모리 시스템 활성화

이 단계에서 시스템은 “실제 주소 → 논리 주소” 구조를 갖게 되며 현대 OS의 기반을 갖춥니다.

5-2. CPU 및 스케줄러 초기화

• 멀티코어 인식
• AP(Application Processor) 부트
• 인터럽트 벡터 테이블 초기화
• 스케줄러 코드 로딩

이 순간부터 시스템은 ‘코어 여러 개를 동시에 조율하는 두뇌’가 됩니다.

5-3. 드라이버 초기화

하드웨어를 제대로 쓰기 위해 각 장치 드라이버가 순차적으로 활성화됩니다.

• 저장장치 드라이버
• NVMe/SATA 컨트롤러
• USB 드라이버
• 파일시스템 드라이버
• 네트워크 드라이버
• GPU 초기화

이 과정에서 커널은 “하드웨어라는 신체와 대화하기 위한 언어”를 갖습니다.

5-4. 파일 시스템 마운트

운영체제는 루트 파일시스템을 찾아 마운트합니다.

• Windows → NTFS
• Linux → ext4, btrfs, xfs 등

루트 파일시스템이 준비되면 프로그램 실행, 설정 로딩, 사용자 관리가 가능해집니다.

5-5. 사용자 공간(User Space) 생성

커널은 작업을 사용자 공간으로 넘기며 실제 서비스가 시작됩니다.

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6. init/systemd — 운영체제의 첫 프로세스

최초 프로세스는 PID 1입니다.

Windows는 커널 이후

• smss.exe
• wininit.exe
• winlogon.exe
  등의 체인이 이어지고,

Linux는

• init
• 또는 systemd
  가 PID 1로 시작하여 전체 서비스/데몬을 관리합니다.

PID 1은 운영체제의 ‘리더 프로세스’로 모든 백그라운드 서비스의 출발점입니다.

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7. 그래픽 환경(GUI) 로딩

여기서부터는 사용자에게 익숙한 화면이 등장합니다.

 

Windows → Winlogon → Explorer.exe
Linux → Display Manager(GDM/KDM/SDDM) → 데스크톱 환경(GNOME/KDE)

 

부팅 과정의 마지막 단계에서 운영체제는 시각적 인터페이스를 제공하며 사용자 세션이 완성됩니다.

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8. 비유하자면 - “잠에서 깨어나 자기 자신을 찾는 과정”

• POST: 몸 상태 점검
• 드라이버 초기화: 감각기관 깨우기
• 부트로더: 어떤 일을 시작할지 결정
• 커널 로딩: 신경계 구성
• PID 1 시작: ‘의식’ 형성
• GUI 진입: 외부와 상호작용할 준비 완료

부팅은 마치 잠에서 깨어난 후 하루를 준비하는 인간의 아침 의식과 같습니다.

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9. 현대 부팅의 변화 - NVMe·APIC·병렬 초기화

부팅 속도는 지난 20년간 급격하게 빨라졌습니다.

• NVMe SSD → 부트로더/커널 로딩 시간 단축
• UEFI Fast Boot → POST 최소화
• 멀티코어 초기화 → 병렬 장치 설정
• systemd → 서비스 병렬화로 부팅 시간 단축
• Secure Boot → 초기 단계 보안 강화

과거 30초~1분 걸리던 부팅은 지금은 2~5초 수준까지 줄었습니다.

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10. 요약

• 부팅 과정은 여러 계층(펌웨어 → 부트로더 → 커널 → 유저 공간)을 거친다.
• 부트로더는 커널을 메모리에 로드하는 관문.
• 커널이 메모리·CPU·드라이버를 초기화하며 OS의 뼈대를 만든다.
• PID 1이 시작되면 운영체제가 공식적으로 살아난다.
• GUI 로딩까지 도달하면 “전체 시스템 의식”이 완성된다.

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11. 시리즈 마무리 - “의식의 기원을 밝히는 여정”

전원과 펌웨어는 우리가 보통 하드웨어의 겉모습만 볼 때는 절대 드러나지 않는, 컴퓨터의 가장 깊은 심층 구조입니다. 전원공급장치가 생명 에너지를 보내고, 펌웨어가 그 에너지를 ‘질서’로 바꿔 시스템을 깨우는 순간부터 컴퓨터는 비로소 스스로를 인식할 준비를 갖춥니다. CPU가 연산을 시작하기도, OS가 사용자와 마주하기도 전에 이루어지는 이 단계는 일종의 “의식의 기원”이라 할 수 있습니다.

전원 / 펌웨어 시리즈를 통해 우리는 컴퓨터가 어떻게 깨어나고, 자기 신체(하드웨어)를 파악하고, 눈을 뜨는지(부트 로딩)를 살펴보았습니다. 이 세계는 화려한 그래픽이나 AI 연산 뒤에 숨어 있지만, 시스템 전체 안정성과 부팅 속도, 보안의 기반이 되는 가장 근본적인 층위입니다.

이제 우리는 전원이라는 심장과 펌웨어라는 초기의식을 이해했으니, 다음 여정에서는 이 깨어난 두뇌가 어떻게 주변 세계와 연결되는지, 즉 버스와 인터페이스의 신경망을 살펴볼 차례입니다.

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12. 다음 편 예고

다음 글에서는 CPU·GPU·RAM·SSD·입출력 장치가 어떻게 대화하는지 컴퓨터 신경망 구조를 깊이 있게 파헤칩니다.

 

다음 글 : [컴퓨터 과학/인터페이스∙통합편] - [하드웨어 뜯어보기] 인터페이스/통합편 #39 - 버스와 인터페이스 총정리

[하드웨어 뜯어보기] 인터페이스/통합편 #39 - 버스와 인터페이스 총정리