操作系统知识之计算机是如何启动的？

Bertha 。 2023-05-21 08:45 120阅读 0赞

原文：http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html

计算机的启动是一个非常复杂的过程，我一直都搞不清楚这个过程到底是怎么回事，只看见黑色的屏幕在快速地打印各种命令行，网上各种找资料想搞清楚这个问题。

## Boot的含义 ##

[来自阮雪峰的解释太棒了][Link 1]  
启动，用英语来说就是：boot，而boot原本的意思是“靴子”，可是“启动”和“靴子”有啥关系呢？原来，这里的boot是bootstrap(鞋带）的缩写，它来自一句谚语：

“Pull oneself up by one's bootstrap” -- 拽着鞋带把自己拉起来

从字面意思来看这当然是不可能的事情。最早的时候，工程师用它来比喻计算机启动是一个很矛盾的过程：必须先运行程序，然后计算机才能启动，但是计算机不启动就无法运行程序！  
 早期的还真就是这样，必须想尽各种办法，把一小段程序装进内存，然后计算机才能正常运行。所以，工程师们就把这个过程叫做“拉鞋带”，久而久之就简称为boot了。

一般来说计算机的整个启动过程分成四个阶段：

*  第一阶段：BIOS
 *  第二阶段：主引导记录
 *  第三阶段：硬盘启动
 *  第四阶段：操作系统

## 第一阶段：BIOS ##

从上个时间70年代开始，“只读内存”（Read-Only Memory, 缩写为ROM）被发明，开机程序被刷入ROM芯片，计算机通电后，第一件事就是读取它。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4ODc3MTI1_size_16_color_FFFFFF_t_70]

这块芯片里的程序叫做“基本输出输入系统”（Basic Input/Output System），简称为BIOS。

### 1.1 硬件自检 ###

BIOS程序首先检查，计算机硬件能否满足运行的基本条件，这叫做”硬件自检“（Power-On Self-Test）,缩写为POST。

如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动将会中止。如果没有问题，屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘信息等信息。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4ODc3MTI1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

### 1.2 启动顺序 ###

硬件自检完成后，BIOS把控制权转交给下一个阶段的启动程序。这时BIOS需要知道“下一阶段的启动程序”具体存放在哪一个设备上。也就是说，BIOS需要有一个外部存储设备的排序，排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。这种排序叫做“启动顺序”（Boot Sequence）。

打开BIOS的操作界面，里面有一项就是“设定启动顺序”。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4ODc3MTI1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 第二阶段：主引导记录 ##

BIOS按照“启动顺序”，把控制权转交给排在第一位的存储设备。这时，计算机读取该设备的第一个扇区，也就是读取最前面的512个字节，如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动，控制权于是被转交给“启动顺序”中的下一个设备。

这最前面的512个字节，就叫做“主引导记录”（Master Boot Record， 缩写为MBR）。

### 2.1 主引导记录到的结构 ###

“主引导记录”只有512个字节，放不了太多东西，它的主要作用是告诉计算机到硬盘的哪个位置去找操作系统。

主引导记录由三个部分组成：

1.  第1~446字节：调用操作系统的机器码。
2.  第447~510字节：分区表（Partition Table）。
3.  第511~512字节：主引导记录签名（0x55和0xAA）。

其中，第二部分“分区表”的作用，是将硬盘分成若干个区。

### 2.2 分区表 ###

硬盘分区表用很多好处。考虑到每个区可以安装不同的操作系统，“主引导记录”因此必须得知道将控制权转交给哪个区。  
 分区表的长度只有64个字节，里面又分成四项，每项16个字节。所以，一个硬盘最多只能分4个一级分区，又叫做“主分区”。

每个主分区的16字节，由6个部分组成：

1.  第1个字节：0x80,就表示该主分区是激活分区，控制权要转交给这个分区。四个主分区里面只能有一个是激活的。
2.  第2~4个字节：主分区第一个扇区的物理位置（柱面、磁头、扇区号等等）。
3.  第5个字节：主分区类型
4.  第6~8个字节：主分区最后一个扇区的物理位置。
5.  第9~12个字节：该主分区第一个扇区的逻辑地址。
6.  第13~16字节：主分区的扇区总数。

最后四个字节（“主分区的扇区总数”），决定了这个主分区的长度。也就是说，一个主分区的扇区总数最多不超过2的23次方。如果每个扇区为512字节，就意味着单个分区最大不超过2TB。再考虑到扇区的逻辑地址也是32位，所以单个硬盘可利用的空间最大也不超过2TB。如果想使用更大的硬盘，只有2个方法：一、提高每个扇区的字节数，二、增加扇区总数。

## 第三阶段：硬盘启动 ##

这时计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区了，这里又分成三种情况。

### 3.1 情况A：卷引导记录 ###

上面有提到，四个主分区里面，只有一个是激活的。计算机会读取激活分区的第一个扇区，叫做“卷引导记录”（Volume Boot Record， 缩写为VBR）。  
 “卷引导记录”的主要作用是，告诉计算机，操作系统在这个分区里面的位置。然后，计算机就会加载操作系统了。

### 3.2 情况B：扩展分区和逻辑分区 ###

随着硬盘越来越大，四个主分区已经不够了，需要更多的分区。但是分区表只有四项，因此规定有且仅有一个区可以被定义成“扩展分区”（Extended Partition）。

所谓“扩展分区”,就是指这个区里面又分成多个区。这个种分区里面的区分，就叫做“逻辑分区”（Logic Partition）。

计算机先读取扩展分区的第一个扇区，叫做“扩展引导记录”（Extended Boot Record，缩写为EBR）。它里面也包含一张64字节的分区表，但是最多只有两项（也就是两个逻辑分区）。

计算机接着读取第二个逻辑分区的第一个扇区，再从里面的分区表中找到第三个逻辑分区的位置，以此类推，直到某个逻辑分区的分区表只包含它自身为止（即只有一个分区项）。因此，扩展分区可以包含无数个逻辑分区。  
 但是，似乎很少通过这种方式启动操作系统。如果操作系统确实安装在扩展分区，一般采用下一种方式启动。

### 3.3 情况C：启动管理器 ###

在这种情况下，计算机读取“主引导记录”前面446字节的机器码之后，不再把控制权转交给某一个分区，而是运行事先安装的“启动管理器”（Boot Loader），由用户选择启动哪一个操作系统。

Linux环境中，目前最流行的启动管理器是Grub。  
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## 第四阶段： 操作系统 ##

控制权转交给操作系统后，操作系统的内核首先被载入内存。  
 以Linux系统为例，先载入/boot目录下面的kernel。内核加载成功后，第一个运行的程序是/sbin/init。它根据配置文件（Debian系统是/etc/initab）产生init进程。这是Linux启动后的第一个进程，pid进程编号为1，其他进程都是它的后代。

然后，init线程加载系统的各个模块，比如窗口程序和网络程序，直至执行/bin/login程序，跳出登录界面，等待用户输入用户名和密码。

[Link 1]: http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html
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