你想知道計算機的啓動過程嗎？

​操做系統老師說，平時面試學生或者畢業答辯的時候他都會問這個問題，可見這個問題對於計算機專業的學生來講是如此重要。那麼，從打開計算機電源到計算機的屏幕顯示，中間經歷了哪些過程呢？

啓動的英文是boot，來自於一個諺語

pull oneself up by one's bootstraps

經過拉本身的鞋帶把本身拽起

這個很明顯是矛盾的。工程師早期用這句諺語用來比喻早期的計算機開機， 由於計算機啓動須要運行程序，而運行程序又須要計算機啓動。這個是一個很矛盾的過程。直到後來開機程序被刷入ROM芯片後，這個開機的boot

大概過程是這樣的:

 

1. Turn on

2. CPU jump to physical address of BIOS(In Intel it is 0xFFFF0)

3. BIOS runs POST(Power-On Self Test)

4. Find bootable devices

5. Loads boot sector from MBR

6. BIOS yields control to OS BootLoader

1. BIOS

BIOS介紹:

BIOS（Basic Input/Output System）是基本輸入輸出系統的簡稱。BIOS 能爲電腦提供最低級、最直接的硬件控制與支持，是聯繫最底層的硬件系統和軟件系統的橋樑。爲了在關機後使 BIOS 不會丟失，早期的 BIOS 存儲在 ROM 中，而且其大小不會超過 64KB；而目前的 BIOS 大多有 1MB 到 2MB，因此會被存儲在 閃存（Flash Memory）中。

 

BIOS 設置程序是被固化到電腦主板上地 ROM 芯片中的一組程序，其主要功能是爲電腦提供最底層的、最直接的硬件設置和控制。 BIOS 一般與 硬件系統集成在一塊兒（在計算機主板的 ROM 或EEPROM 中），因此也被稱爲 固件

 

如何運行

BIOS存放在一個斷電後不會丟失內容的ROM中，這保證了「拽着鞋帶拉起本身」的這種狀況不會發生。由於系統一上電或重置，處理器要執行第一條指令的地址會被定位到BIOS存儲器，初始化開始運行。在X86系統中，CPU加電後跳轉至BIOS的固定物理地址0xFFFF0。 打開計算機電源，計算機會首先加載BIOS，包含

 

CPU相關信息設備啓動順序信息硬盤信息內存信息時鐘信息PhP特性...

 

硬件自檢(Power-On Self Test,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。BIOS在執行完硬件自檢和初始化後，會將本身複製到從 0xA0000 開始的物理內存中並繼續執行。

 

BIOS 代碼包含診斷功能，以保證某些重要硬件組件，像是鍵盤、磁盤設備、輸出輸入端口等等，能夠正常運做且正確地初始化。

 

BIOS產生的問題

•開發效率低：大部分BIOS代碼使用匯編開發，開發效率不言而喻。彙編開發的另外一個缺點是使得代碼與設備的耦合程度過高，代碼受硬件變化的影響大。•性能差：BIOS基本輸入/輸出服務須要經過中斷來完成，開銷大，而且BIOS沒有提供異步工做模式，大量的時間消耗在等待上。•功能擴展性差，升級緩慢：BIOS代碼採用靜態連接，增長硬件功能時，必須將16位代碼放置在0x0C0000～0x0DFFFF區間，初始化時將其設置爲約定的中斷處理程序。並且BIOS沒有提供動態加載設備驅動的方案•安全性：BIOS運行過程當中對可執行代碼沒有安全方面的考慮。•不支持從硬盤２TB以上的地址引導：受限於BIOS硬盤的尋址方式，BIOS硬盤採用32位地址，於是引導扇區的最大邏輯塊地址是232(換算成字節地址，即232×512=2TB)

因爲這些問題的存在，UEFI橫空出世

 

UEFI中文名爲統一可擴展固件界面(英語：Unified Extensible Firmware Interface，縮寫UEFI)是一種我的電腦系統規格，用來定義操做系統與系統硬件之間的軟件界面，做爲BIOS的替代方案。可擴展固件接口負責加電自檢（POST），聯繫操做系統以及提供鏈接做業系統與硬體的介面。

 

UEFI與BIOS的幾個區別

 

一、EFI使用模塊化、C語言風格的參數堆棧傳遞方式以及動態連接形式構建的系統，相對於BIOS而言跟容易實現，容錯和糾錯特性更強，減小系統研發的時間。

 

二、運行於32位或64位模式，面對將來加強的處理器模式下，能突破BIOS 16位代碼的尋址能力，達處處理器最大尋址。

 

三、UEFI有良好的鼠標操控圖形化界面，在開機速度也比BIOS快很多

 

 

BIOS過程

UEFI過

相對來講UEFI比BIOS少了一個硬件檢測

即便如此，本章啓動過程仍是着重於分析利用BIOS啓動的過程。

2.讀取MBR

MBR-全稱是Master Boot Record(主引導記錄或主開機記錄)，是一個512byte的扇區，位於磁盤的固定位置。之因此叫「主引導記錄」，是由於其存在於驅動器開始部分的一個特殊扇區，個扇區包含已安裝的操做系統啓動記載器和驅動器的邏輯分區信息。BIOS完成POST和初始化以後，會根據CMOS中設定的順序選擇引導的設備，這個設備能夠是U盤能夠是硬盤。若設置爲硬盤，則BIOS就會讀取MBR。MBR裏面包含了一段引導程序，一個分區表和Magic Number。

MBR的結構

位置	做用
1-445字節	調用操做系統的機器碼(Call OS)
447-510字節	分區表(Partition table)
511-512字節	主引導記錄簽名(只有兩個，0x55和0xAA，爲Magic Number)，若是不是這兩個幻數，就認爲這是一個沒有被分區的硬盤。

 

分區表的長度只有64個字節，裏面分爲四項，每項爲16個字節。因此一個硬盤只能夠分四個一級分區，又叫作「主分區」。每一個主分區的16個字節，結構以下

 

位置(字節)	做用
1	若是第一個爲0x80，表示該主分區是激活分區(active)，控制權將轉交給此分區。幾個分區中只能有一個是激活分區，其餘都是非激活分區(inactive)。
2-4	主分區的第一個扇區物理位置(柱面、磁頭、扇區號等)
5	主分區的類型 分區類型符
6-8	主分區最後一個扇區的物理位置
9-12	主分區第一個扇區的邏輯位置
13-16	主分區的扇區總數，決定了主分區的長度

 

其中第5字節分區類型符，有以下特定符

00H H —— 表示該分區未用 （ 即沒有指定 ） ；

06H H —— FAT 16 基本分區；

0 0 BH —— FAT 32 基本分區；

05H H —— 擴展分區；

07H H —— NTFS 分區；

0 0 FH —— （ LBA 模式 ） 擴展分區 (83H H 爲 Linux)

 

分出主分區後，其他的部分能夠分紅擴展分區，通常是剩下的部分所有分紅擴展分區，也能夠不全分，剩下的部分就浪費了。擴展分區不能直接使用，必須分紅若干邏輯分區。全部的邏輯分區都是擴展分區的一 部分 。

 

硬盤的容量 ＝ 主分區的容量 ＋ 擴展分區的容量​擴展分區的容量 ＝ 各個邏輯分區的容量之和

3.啓動Boot Loader

*Linux的Boot的過程 *

Boot Loader

又叫作 操做系統內核加載器(OS kernel loader)，一個在kernel運行前運行的一段小程序，經過這段程序能夠初始化硬件設備，創建內存空間的映射，將系統軟硬件環境帶到一個合適的狀態，便於將來調用操做系統內核。

Linux下引導加載程序常見兩種LILO^[1]和GNU GRUB^[2]

 

LILO	GRUB
無交互命令界面	有交互命令界面
不支持網絡引導	支持
錯誤配置MBR會讓系統沒法引導	若是配置文件錯誤，則默認跳轉到GRUB命令行界面

 

GRUB 磁盤引導的過程以下

 

- stage1: grub 讀取磁盤第一個 512 字節(硬盤的0道0 面1扇區，被稱爲 MBR (主引導記錄)， 也稱爲bootsect )。 MBR 由一部分 bootloader 的引導代碼、分區表和魔數三部分組成。（ 啓動的第二步 ）- Stage1.5: 識別各類不一樣的文件系統格式。這使得 grub 識別到文件系統。- stage2: 加載系統引導菜單 (/boot/grub/ menu.lst或 grub.lst) ) ，加載內核映像 (kernel image) 和 RAM磁盤 initrd （可選）。

 

運行主引導程序的具體過程

BIOS將硬盤主引導記錄讀入7C00處，並將控制權交給主引導程序:

•檢查0x7dfe地址處是否等於0xaa55。不是則去其餘介質；若是沒有啓動的介質，顯示「No ROME BASIC」並死機。•成功找到介質，跳轉到0X7C00執行MBR的程序•將本身複製到0x0600處且繼續執行•主分區表中搜索標誌爲激活的分區，若是發現沒有激活分區或者不止一個激活分區則中止。•將激活分區的第一個扇區讀入內存地址0x7c00•再次檢查位於地址0x7dfe的內容是否等於0xaa55，若不等則中止並嘗試軟盤啓動•跳轉到0x7c00繼續執行特定系統的啓動程序

補充：MBR和引導扇區的關係

•MBR存放的位置是整個硬盤的第一個扇區•Boot Sector是硬盤上每個分區的第一個扇區

4. 加載kernel

 

主要有兩個步驟:

• 根據 grub 設定的內核映像所在路徑 ,系統讀取內存映像 ,並進行解壓縮操 做 。

• 系統將解壓後的內核放置在內存之中， 初始化函數並初始化各類設備 ， 完 成 Linux 核心環境的創建 。

 

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username和password。

至此，所有啓動過程完成。References

[1] LILO: https://www.wikiwand.com/zh-hk/LILO
[2] GNU GRUB: https://www.wikiwand.com/zh/GNU_GRUB