【ZZ】計算機是如何啓動的？

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。

零、boot的含義

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：

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。

1、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。

1.1 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。

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"。

2、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）。

2.1 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：

其中，第二部分"分區表"的做用，是將硬盤分紅若干個區。

2.2 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：

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2TB。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2TB。若是想使用更大的硬盤，只有2個方法：一是提升每一個扇區的字節數，二是增長扇區總數。

3、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。

3.1 狀況A：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。

3.2 狀況B：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。

3.3 狀況C：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。

4、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。 （完）