计算机启动流程
引言
“啟動(dòng)”英文是boot，其本意是靴子的意思，這里boot是bootstrap（鞋帶）的縮寫，來自諺語"pull oneself up by one's bootstraps"，譯為“拽著鞋帶把自己拉起來”。
最早的時(shí)候，工程師們用它來比喻計(jì)算機(jī)啟動(dòng)的矛盾過程：必須先運(yùn)行程序，然后計(jì)算機(jī)才能啟動(dòng)，但是計(jì)算機(jī)不啟動(dòng)就無法運(yùn)行程序。早期想盡各種辦法，把一小段程序裝進(jìn)內(nèi)存，然后計(jì)算機(jī)才能正常運(yùn)行。所以，工程師們把這個(gè)過程叫做”拉鞋帶”，久而久之就簡(jiǎn)稱為boot了。
可以把計(jì)算機(jī)的整個(gè)啟動(dòng)過程分為四個(gè)階段，如下圖所示：
對(duì)于計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)，大致流程可以描述為：
- 首先計(jì)算機(jī)上電后，讀取內(nèi)存中的開機(jī)啟動(dòng)程序（BIOS），可以將計(jì)算機(jī)的控制權(quán)理解為一個(gè)指針，
- 硬件自檢時(shí)，指針指向硬件，判斷計(jì)算機(jī)硬件是否存在和正常工作
- 隨后，指針指向啟動(dòng)順序，讀取存放外部設(shè)備訪問的順序的內(nèi)存，找到下一個(gè)程序的地址。
- 指針指向主引導(dǎo)記錄，讀取設(shè)備并判斷是都設(shè)備可以用于啟動(dòng)。
- 指針指向硬盤啟動(dòng)，找到存放操作系統(tǒng)的分區(qū)位置。
- 指針指向操作系統(tǒng)分區(qū)位置，將操作系統(tǒng)的內(nèi)核載入內(nèi)存，內(nèi)核加載成功后，運(yùn)行初始化程序，啟動(dòng)操作系統(tǒng)。
第一階段：BIOS
上個(gè)世紀(jì)70年代初，”只讀內(nèi)存”（read-only memory，縮寫為ROM）發(fā)明，開機(jī)程序被刷入ROM芯片，計(jì)算機(jī)通電后，第一件事就是讀取它。
硬件自檢（Power-On Self-Test，POST）
POST的主要任務(wù)就是在檢測(cè)系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵設(shè)備是否存在和正常工作。POST結(jié)果：
- 如果硬件出現(xiàn)問題，主板會(huì)發(fā)出不同含義的蜂鳴，啟動(dòng)中止。
- 如果沒有問題，屏幕就會(huì)顯示出CPU、內(nèi)存、硬盤等信息。
啟動(dòng)順序（Boot Sequence）
硬件自檢完成后，BIOS把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給下一階段的啟動(dòng)程序。
這時(shí)，BIOS需要知道，”下一階段的啟動(dòng)程序”具體存放在哪一個(gè)設(shè)備。也就是說，BIOS需要有一個(gè)外部?jī)?chǔ)存設(shè)備的排序，排在前面的設(shè)備就是優(yōu)先轉(zhuǎn)交控制權(quán)的設(shè)備。這種排序叫做”啟動(dòng)順序”。
打開BIOS的操作界面，里面有一項(xiàng)就是”設(shè)定啟動(dòng)順序”。
第二階段：主引導(dǎo)記錄（Master boot record，MBR）
BIOS按照”啟動(dòng)順序”，把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給排在第一位的儲(chǔ)存設(shè)備。
此時(shí)，計(jì)算機(jī)讀取該設(shè)備的第一個(gè)扇區(qū)，也就是讀取最前面的512個(gè)。
- 如果這512個(gè)字節(jié)的最后兩個(gè)字節(jié)是0x55和0xAA，表明這個(gè)設(shè)備可以用于啟動(dòng)；
- 如果不是，表明設(shè)備不能用于啟動(dòng)，控制權(quán)于是被轉(zhuǎn)交給”啟動(dòng)順序”中的下一個(gè)設(shè)備。
這最前面的512個(gè)字節(jié)，就叫做”主引導(dǎo)記錄”。
主引導(dǎo)記錄的結(jié)構(gòu)
“主引導(dǎo)記錄”只有512個(gè)字節(jié)，放不了太多東西。它的主要作用是，告訴計(jì)算機(jī)到硬盤的哪一個(gè)位置去找操作系統(tǒng)。
主引導(dǎo)記錄由三個(gè)部分組成：
| 1 2 3 | （1） 第1-446字節(jié)：調(diào)用操作系統(tǒng)的機(jī)器碼。 （2） 第447-510字節(jié)：分區(qū)表（Partition table）。 （3） 第511-512字節(jié)：主引導(dǎo)記錄簽名（0x55和0xAA）。 |
第二部分”分區(qū)表”的作用，是將硬盤分成若干個(gè)區(qū)。
分區(qū)表
硬盤分區(qū)有很多好處。考慮到每個(gè)區(qū)可以安裝不同的操作系統(tǒng)，”主引導(dǎo)記錄”因此必須知道將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給哪個(gè)區(qū)。
分區(qū)表的長(zhǎng)度只有64個(gè)字節(jié)，里面又分成四項(xiàng)，每項(xiàng)16個(gè)字節(jié)。所以，一個(gè)硬盤最多只能分四個(gè)一級(jí)分區(qū)，又叫做”主分區(qū)”。
每個(gè)主分區(qū)的16個(gè)字節(jié)，由6個(gè)部分組成：
| 1 2 3 4 5 6 | （1） 第1個(gè)字節(jié)：如果為0x80，就表示該主分區(qū)是激活分區(qū)，控制權(quán)要轉(zhuǎn)交給這個(gè)分區(qū)。四個(gè)主分區(qū)里面只能有一個(gè)是激活的。 （2） 第2-4個(gè)字節(jié)：主分區(qū)第一個(gè)扇區(qū)的物理位置（柱面、磁頭、扇區(qū)號(hào)等等）。 （3） 第5個(gè)字節(jié)：主分區(qū)類型。 （4） 第6-8個(gè)字節(jié)：主分區(qū)最后一個(gè)扇區(qū)的物理位置。 （5） 第9-12字節(jié)：該主分區(qū)第一個(gè)扇區(qū)的邏輯地址。 （6） 第13-16字節(jié)：主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)。 |
最后的四個(gè)字節(jié)（”主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)”），決定了這個(gè)主分區(qū)的長(zhǎng)度。也就是說，一個(gè)主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)最多不超過2的32次方。
如果每個(gè)扇區(qū)為512個(gè)字節(jié)，就意味著單個(gè)分區(qū)最大不超過2TB。再考慮到扇區(qū)的邏輯地址也是32位，所以單個(gè)硬盤可利用的空間最大也不超過2TB。如果想使用更大的硬盤，只有2個(gè)方法：一是提高每個(gè)扇區(qū)的字節(jié)數(shù)，二是增加扇區(qū)總數(shù)。
第三階段：硬盤啟動(dòng)
計(jì)算機(jī)的控制權(quán)就要轉(zhuǎn)交給硬盤的某個(gè)分區(qū)了，這里又分成三種情況。
情況A：卷引導(dǎo)記錄
四個(gè)主分區(qū)里面，只有一個(gè)是激活的。計(jì)算機(jī)會(huì)讀取激活分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，叫做”卷引導(dǎo)記錄”（Volume boot record，VBR）。
“卷引導(dǎo)記錄”的主要作用是告訴計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)在這個(gè)分區(qū)里的位置。然后，計(jì)算機(jī)就會(huì)加載操作系統(tǒng)了。
情況B：擴(kuò)展分區(qū)和邏輯分區(qū)
隨著硬盤越來越大，四個(gè)主分區(qū)已經(jīng)不夠了，需要更多的分區(qū)。但是，分區(qū)表只有四項(xiàng)，因此規(guī)定有且僅有一個(gè)區(qū)可以被定義成”擴(kuò)展分區(qū)”（Extended partition）。
“擴(kuò)展分區(qū)”，就是指這個(gè)區(qū)里面又分成多個(gè)區(qū)。這種分區(qū)里面的分區(qū)，就叫做”邏輯分區(qū)”（logical partition）。
計(jì)算機(jī)先讀取擴(kuò)展分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，叫做”擴(kuò)展引導(dǎo)記錄”（Extended boot record，EBR）。它里面也包含一張64字節(jié)的分區(qū)表，但是最多只有兩項(xiàng)（也就是兩個(gè)邏輯分區(qū)）。
計(jì)算機(jī)接著讀取第二個(gè)邏輯分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，再?gòu)睦锩娴姆謪^(qū)表中找到第三個(gè)邏輯分區(qū)的位置，以此類推，直到某個(gè)邏輯分區(qū)的分區(qū)表只包含它自身為止（即只有一個(gè)分區(qū)項(xiàng)）。因此，擴(kuò)展分區(qū)可以包含無數(shù)個(gè)邏輯分區(qū)。
但是，似乎很少通過這種方式啟動(dòng)操作系統(tǒng)。如果操作系統(tǒng)確實(shí)安裝在擴(kuò)展分區(qū)，一般采用下一種方式啟動(dòng)。
情況C：啟動(dòng)管理器
在這種情況下，計(jì)算機(jī)讀取”主引導(dǎo)記錄”前面446字節(jié)的機(jī)器碼之后，不再把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給某一個(gè)分區(qū)，而是運(yùn)行事先安裝的”啟動(dòng)管理器”（boot loader），由用戶選擇啟動(dòng)哪一個(gè)操作系統(tǒng)。
Linux環(huán)境中，目前最流行的啟動(dòng)管理器是Grub。
第四階段：操作系統(tǒng)
控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)后，操作系統(tǒng)的內(nèi)核首先被載入內(nèi)存。
以Linux系統(tǒng)為例，先載入/boot目錄下面的kernel。內(nèi)核加載成功后，第一個(gè)運(yùn)行的程序是/sbin/init。它根據(jù)配置文件（Debian系統(tǒng)是/etc/initab）產(chǎn)生init進(jìn)程。這是Linux啟動(dòng)后的第一個(gè)進(jìn)程，pid進(jìn)程編號(hào)為1，其他進(jìn)程都是它的后代。
然后，init線程加載系統(tǒng)的各個(gè)模塊，比如窗口程序和網(wǎng)絡(luò)程序，直至執(zhí)行/bin/login程序，跳出登錄界面，等待用戶輸入用戶名和密碼。
至此，全部啟動(dòng)過程完成。
參考：
總結(jié)
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