微型計算機的啓動過程（轉自阮一峯先生的博客）

       從打開電源到開始操做，計算機的啓動是一個很是複雜的過程。先問一個問題，"啓動"用英語怎麼說？回答是 boot。但是，boot 原來的意思是靴子，"啓動"與靴子有什麼關係呢？ 原來，這裏的 boot 是 bootstrap（鞋帶）的縮寫，它來自一句諺語：

　　"pull oneself up by one's bootstraps"

       字面意思是"拽着鞋帶把本身拉起來"，這固然是不可能的事情。最先的時候，工程師們用它來比喻，計算機啓動是一個很矛盾的過程：必須先運行程序，而後計算機才能啓動，可是計算機不啓動就沒法運行程序！早期真的是這樣，必須想盡各類辦法，把一小段程序裝進內存，而後計算機才能正常運行。因此，工程師們把這個過程叫作"拉鞋帶"，長此以往就簡稱爲 boot 了。

       計算機的整個啓動過程分紅四個階段。

 

第一階段：BIOS

       上個世紀 70 年代初，"只讀內存"（read-only memory，縮寫爲ROM）發明，開機程序被刷入 ROM 芯片，計算機通電後，第一件事就是讀取它。

      

       這塊芯片裏的程序叫作"基本輸出輸入系統"（Basic Input/Output System），簡稱爲 BIOS。

       1. 硬件自檢

           BIOS 程序首先檢查計算機硬件可否知足運行的基本條件，這叫作"硬件自檢"（Power-On Self-Test），縮寫爲 POST。若是硬件出現問題，主板會發出不一樣含義的蜂鳴，啓動停止。若是沒有問題，屏幕就會顯示出 CPU、內存、硬盤等信息。

          

       2. 啓動順序

           硬件自檢完成後，BIOS 把控制權轉交給下一階段的啓動程序。這時，BIOS 須要知道，"下一階段的啓動程序"具體存放在哪個設備。也就是說，BIOS 須要有一個外部儲存設備的排序，排在前面的設備就是優先轉交控制權的設備。這種排序叫作"啓動順序"（Boot Sequence）。打開 BIOS 的操做界面，裏面有一項就是"設定啓動順序"。

          

 

第二階段：主引導記錄

       BIOS 按照"啓動順序"，把控制權轉交給排在第一位的儲存設備。這時，計算機讀取該設備的第一個扇區，也就是讀取最前面的 512 個字節。若是這 512 個字節的最後兩個字節是 0x55 和 0xAA，代表這個設備能夠用於啓動；若是不是，代表設備不能用於啓動，控制權因而被轉交給"啓動順序"中的下一個設備。這最前面的 512 個字節，就叫作"主引導記錄"（Master boot record，縮寫爲 MBR）。

       1. 主引導記錄的結構

           "主引導記錄"只有 512 個字節，放不了太多東西。它的主要做用是，告訴計算機到硬盤的哪個位置去找操做系統。主引導記錄由三個部分組成：

　　（1） 第 1 - 446 字節：調用操做系統的機器碼。

　　（2） 第 447 - 510 字節：分區表（Partition table）。

　　（3） 第 511 – 512 字節：主引導記錄簽名（0x55和0xAA）。

           其中，第二部分"分區表"的做用，是將硬盤分紅若干個區。

       2. 分區表

           硬盤分區有不少好處。考慮到每一個區能夠安裝不一樣的操做系統，"主引導記錄"所以必須知道將控制權轉交給哪一個區。分區表的長度只有 64 個字節，裏面又分紅四項，每項16個字節。因此，一個硬盤最多隻能分四個一級分區，又叫作"主分區"。每一個主分區的 16 個字節，由 6 個部分組成：

　　（1） 第 1 個字節：若是爲 0x80，就表示該主分區是激活分區，控制權要轉交給這個分區。四個主分區裏面只能有一個是激活的。

　　（2） 第 2 - 4 個字節：主分區第一個扇區的物理位置（柱面、磁頭、扇區號等等）。

　　（3） 第 5 個字節：主分區類型。

　　（4） 第 6  -8 個字節：主分區最後一個扇區的物理位置。

　　（5） 第 9 - 12 字節：該主分區第一個扇區的邏輯地址。

　　（6） 第 13 – 16 字節：主分區的扇區總數。

           最後的四個字節（"主分區的扇區總數"），決定了這個主分區的長度。也就是說，一個主分區的扇區總數最多不超過 2 的 32 次方。若是每一個扇區爲 512 個字節，就意味着單個分區最大不超過 2 TB。再考慮到扇區的邏輯地址也是 32 位，因此單個硬盤可利用的空間最大也不超過 2 TB。若是想使用更大的硬盤，只有兩個方法：提升每一個扇區的字節數或增長扇區總數。

 

第三階段：硬盤啓動

       這時，計算機的控制權就要轉交給硬盤的某個分區了，這裏又分紅三種狀況。

• 卷引導記錄。上一節提到，四個主分區裏面，只有一個是激活的。計算機會讀取激活分區的第一個扇區，叫作"卷引導記錄"（Volume boot record，縮寫爲 VBR）。"卷引導記錄"的主要做用是告訴計算機操做系統在這個分區裏的位置。而後，計算機就會加載操做系統了。
• 擴展分區和邏輯分區。隨着硬盤愈來愈大，四個主分區已經不夠了，須要更多的分區。可是，分區表只有四項，所以規定有且僅有一個區能夠被定義成"擴展分區"（Extended partition）。所謂"擴展分區"，就是指這個區裏面又分紅多個區。這種分區裏面的分區，就叫作"邏輯分區"（logical partition）。計算機先讀取擴展分區的第一個扇區，叫作"擴展引導記錄"（Extended boot record，縮寫爲 EBR）。它裏面也包含一張 64 字節的分區表，可是最多隻有兩項（也就是兩個邏輯分區）。計算機接着讀取第二個邏輯分區的第一個扇區，再從裏面的分區表中找到第三個邏輯分區的位置，以此類推，直到某個邏輯分區的分區表只包含它自身爲止（即只有一個分區項）。所以，擴展分區能夠包含無數個邏輯分區。可是，彷佛不多經過這種方式啓動操做系統。若是操做系統確實安裝在擴展分區，通常採用下一種方式啓動。
• 啓動管理器。在這種狀況下，計算機讀取"主引導記錄"前面 446 字節的機器碼以後，再也不把控制權轉交給某一個分區，而是運行事先安裝的"啓動管理器"（boot loader），由用戶選擇啓動哪個操做系統。Linux 環境中，目前最流行的啓動管理器是 Grub。

      

 

第四階段：操做系統

       控制權轉交給操做系統後，操做系統的內核首先被載入內存。以 Linux 系統爲例，先載入 /boot 目錄下面的 kernel。內核加載成功後，第一個運行的程序是 /sbin/init。它根據配置文件（Debian 系統是 /etc/initab）產生 init進程。這是 Linux 啓動後的第一個進程，pid 進程編號爲 1，其餘進程都是它的後代。

       而後，init線程加載系統的各個模塊，好比窗口程序和網絡程序，直至執行/bin/login程序，跳出登陸界面，等待用戶輸入用戶名和密碼。

       至此，所有啓動過程完成。