計算機啟動過程


打開電源到開始操作,計算機的啟動是一個非常復雜的過程。

 

諸位親一直搞不清楚,這個過程到底是怎么回事,只看見屏幕快速滾動各種提示...... 這幾天,小諾查了一些資料,試圖搞懂並分享給親們。下面就是小諾整理出來的相關信息。

 

在這之前先問親們一個問題,"啟動"用英語怎么說?

 

回答是boot。可是,boot原來的意思是靴子,"啟動"與靴子有什么關系呢? 原來,這里的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"拽着鞋帶把自己拉起來",這當然是不可能的事情。

 

最早的時候,工程師們用它來比喻,計算機啟動是一個很矛盾的過程:必須先運行程序,然后計算機才能啟動,但是計算機不啟動就無法運行程序!

 

早期真的是這樣,必須想盡各種辦法,把一小段程序裝進內存,然后計算機才能正常運行。所以,工程師們把這個過程叫做"拉鞋帶",久而久之就簡稱為boot了。

 

計算機的整個啟動過程分成四個階段。

 

一、第一階段:BIOS

 

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

 

這塊芯片里的程序叫做"基本輸出輸入系統"(Basic Input/Output System),簡稱為BIOS。

 

1、 硬件自檢

 

BIOS程序首先檢查,計算機硬件能否滿足運行的基本條件,這叫做"硬件自檢"(Power-On Self-Test),縮寫為POST。

 

如果硬件出現問題,主板會發出不同含義的蜂鳴,啟動中止。如果沒有問題,屏幕就會顯示出CPU、內存、硬盤等信息。

 

2、 啟動順序

 

硬件自檢完成后,BIOS把控制權轉交給下一階段的啟動程序。

這時,BIOS需要知道,"下一階段的啟動程序"具體存放在哪一個設備。也就是說,BIOS需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。這種排序叫做"啟動順序"(Boot Sequence)。

 

打開BIOS的操作界面,里面有一項就是"設定啟動順序"。

 

二、第二階段:主引導記錄

 

BIOS按照"啟動順序",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。如果這512個字節的最后兩個字節是0x55和0xAA,表明這個設備可以用於啟動;如果不是,表明設備不能用於啟動,控制權於是被轉交給"啟動順序"中的下一個設備。

 

這最前面的512個字節,就叫做"主引導記錄"(Master boot record,縮寫為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。它的主要作用是,告訴計算機到硬盤的哪一個位置去找操作系統。

 

主引導記錄由三個部分組成:

 

 (1) 第1-446字節:調用操作系統的機器碼。

 

 (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"的作用,是將硬盤分成若干個區。

 

2、分區表

 

硬盤分區有很多好處。考慮到每個區可以安裝不同的操作系統,"主引導記錄"因此必須知道將控制權轉交給哪個區。

 

分區表的長度只有64個字節,里面又分成四項,每項16個字節。所以,一個硬盤最多只能分四個一級分區,又叫做"主分區"。

 

每個主分區的16個字節,由6個部分組成:

 

 (1) 第1個字節:如果為0x80,就表示該主分區是激活分區,控制權要轉交給這個分區。四個主分區里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:主分區最后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。

 

最后的四個字節("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。

 

如果每個扇區為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,所以單個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個方法:一是提高每個扇區的字

節數,二是增加扇區總數。

 

三、第三階段:硬盤啟動

 

到了這個時期,計算機的控制權就要轉交給硬盤的某個分區了,這里又分成三種情況。

 

1、 情況A:卷引導記錄

 

上一節提到,四個主分區里面,只有一個是激活的。計算機會讀取激活分區的第一個扇區,叫做"卷引導記錄"(Volume boot record,縮寫為VBR)。

 

"卷引導記錄"的主要作用是,告訴計算機,操作系統在這個分區里的位置。然后,計算機就會加載操作系統了。

 

2、 情況B:擴展分區和邏輯分區

 

隨着硬盤越來越大,四個主分區已經不夠了,需要更多的分區。但是,分區表只有四項,因此規定有且僅有一個區可以被定義成"擴展分區"(Extended partition)。

 

所謂"擴展分區",就是指這個區里面又分成多個區。這種分區里面的分區,就叫做"邏輯分區"(logical partition)。

 

計算機先讀取擴展分區的第一個扇區,叫做"擴展引導記錄"(Extended boot record,縮寫為EBR)。它里面也包含一張64字節的分區表,但是最多只有兩項(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,再從里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為止(即只有一個分區項)。因此,擴展分區可以包含無數個邏輯分區。

 

但是,似乎很少通過這種方式啟動操作系統。如果操作系統確實安裝在擴展分區,一般采用下一種方式啟動。

 

3、 情況C:啟動管理器

 

在這種情況下,計算機讀取"主引導記錄"前面446字節的機器碼之后,不再把控制權轉交給某一個分區,而是運行事先安裝的"啟動管理器"(boot loader),由用戶選擇啟動哪一個操作系統。

 

四、第四階段:操作系統

 

控制權轉交給操作系統后,操作系統的內核首先被載入內存。

 

以Linux系統為例,先載入/boot目錄下面的kernel。內核加載成功后,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啟動后的第一個進程,pid進程編號為1,其他進程都是它的后代。

 

然后,init線程加載系統的各個模塊,比如窗口程序和網絡程序,直至執行/bin/login程序,跳出登錄界面,等待用戶輸入用戶名和密碼。

 

至此,全部啟動過程完成。

原文:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1625864611606341973&wfr=spider&for=pc

簡練版概括:

第一階段blos

    blos是寫入到主板中的軟件程序。
    開機時計算機首先執行硬件中的blos程序。
    BIOS程序首先檢查計算機硬件能否滿足運行的基本條件,這叫做”硬件自檢”。
    硬件自檢完成后,BIOS把控制權轉交給下一階段的啟動程序。
    這時,BIOS需要知道,”下一階段的啟動程序”具體存放在哪一個設備。也就是說,BIOS需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。

主引導記錄MBR

    BIOS按照”啟動順序”,把控制權轉交給排在第一位的儲存設備。即根據用戶指定的引導順序從存儲設備中讀取啟動設備的MBR,並放入指定的位置內存中。
    MBR 第一個可開機設備的第一個扇區內的主引導分區塊,內含引導加載程序。
    主引導記錄”只有512個字節。它的主要作用是,告訴計算機到硬盤的哪一個位置去找操作系統。
    每個磁盤分區可以安裝不同的操作系統,”主引導記錄”因此必須知道將控制權轉交給哪個區。

硬盤啟動

    這時,計算機的控制權就要轉交給硬盤的某個分區了
    硬盤的啟動有三種情況:卷引導記錄,擴展分區和邏輯分區,啟動管理器

如果計算機只安裝了一個windows操作系統,那么硬盤通常會以第一種方式啟動,即讀取激活分區的第一個扇區,加載操作系統。
如果計算機安裝了windows,linux雙系統,硬盤一般會以第三種方式啟動,讓用戶去選擇啟動哪個分區的操作系統。
很少用第二種方式去啟動硬盤。

操作系統

    控制權轉交給操作系統后,操作系統的內核首先被載入內存。

個人實例

    自己在按下電腦開機鍵后,blos程序會自動選擇電腦的硬盤作為默認的啟動存儲設備。
    如果自己安裝了u盤啟動盤,就可以長按esc進入blos設置,把u盤作為默認的啟動存儲設備。
    電腦啟動自身硬件存儲設備之后,在主引導分區塊中有windows的引導加載程序,而在其他磁盤分區中還有linux的引導加載程序。
    此時電腦不會自動啟動任何一個磁盤分區,而是通過啟動管理器,讓用戶選擇進入哪個操作系統。
    自己選擇某個操作系統啟動項之后,計算機才開始加載相關內核文件,啟動相關操作系統。

原文:https://blog.csdn.net/zuiziyoudexiao/article/details/78927439  


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