計算機從按下電源鍵到屏幕亮的開機過程-詳解

操作系統老師說，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說是如此重要。那么，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？

啟動的英文是boot，來自於一個諺語pull oneself up by one's bootstraps“通過拉自己的鞋帶把自己拽起“

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， 因為計算機啟動需要運行程序，而運行程序又需要計算機啟動。這個是一個很矛盾的過程。直到后來開機程序被刷入ROM芯片后，這個開機的boot

大概過程是這樣的:

Turn on

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

BIOS runs POST(Power-On Self Test)

Find bootable devices

Loads boot sector from MBR

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 能為電腦提供最低級、最直接的硬件控制與支持，是聯系最底層的硬件系統和軟件系統的橋梁。

為了在關機后使 BIOS 不會丟失，早期的 BIOS 存儲在 ROM 中，並且其大小不會超過 64KB；

而目前的 BIOS 大多有 1MB 到 2MB，所以會被存儲在 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，其主要功能是為電腦提供最底層的、最直接的硬件設置和控制。 BIOS 通常與 硬件系統集成在一起（在計算機主板的 ROM 或EEPROM 中），所以也被稱為 固件

null

如何運行

BIOS存放在一個斷電后不會丟失內容的ROM中，這保證了“拽着鞋帶拉起自己”的這種情況不會發生。因為系統一上電或重置，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加電后跳轉至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

設備啟動順序信息

硬盤信息

內存信息

時鍾信息

PhP特性

...

硬件自檢(Power-On Self Test,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。BIOS在執行完硬件自檢和初始化后，會將自己復制到從 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，可以正常運作且正確地初始化。

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。匯編開發的另一個缺點是使得代碼與設備的耦合程度太高，代碼受硬件變化的影響大。

• 性能差：BIOS基本輸入/輸出服務需要通過中斷來完成，開銷大，並且BIOS沒有提供異步工作模式，大量的時間消耗在等待上。

• 功能擴展性差，升級緩慢：BIOS代碼采用靜態鏈接，增加硬件功能時，必須將16位代碼放置在0x0C0000～0x0DFFFF區間，初始化時將其設置為約定的中斷處理程序。而且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硬盤采用32位地址，因而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)

由於這些問題的存在，UEFI橫空出世

UEFI中文名為統一可擴展固件界面(英語：Unified Extensible Firmware Interface，縮寫UEFI)是一種個人電腦系統規格，用來定義操作系統與系統硬件之間的軟件界面，作為BIOS的替代方案。可擴展固件接口負責加電自檢（POST），聯系操作系統以及提供連接作業系統與硬體的介面。

UEFI與BIOS的幾個區別

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

2、運行於32位或64位模式，面對未來增強的處理器模式下，能突破BIOS 16位代碼的尋址能力，達到處理器最大尋址。

3、UEFI有良好的鼠標操控圖形化界面，在開機速度也比BIOS快不少

BIOS過程

UEFI過

相對來說UEFI比BIOS少了一個硬件檢測

即使如此，本章啟動過程還是着重於分析利用BIOS啟動的過程。

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。之所以叫“主引導記錄”，是因為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作系統啟動記載器和驅動器的邏輯分區信息。BIOS完成POST和初始化之后，會根據CMOS中設定的順序選擇引導的設備，這個設備可以是U盤可以是硬盤。若設置為硬盤，則BIOS就會讀取MBR。MBR里面包含了一段引導程序，一個分區表和Magic Number。

MBR的結構：

位置作用

1-445字節 調用操作系統的機器碼(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，為Magic Number)，如果不是這兩個幻數，就認為這是一個沒有被分區的硬盤。

分區表的長度只有64個字節，里面分為四項，每項為16個字節。所以一個硬盤只可以分四個一級分區，又叫做“主分區”。每個主分區的16個字節，結構如下

位置(字節) 作用

1 如果第一個為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，其他都是非激活分區(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 主分區最后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，有如下特定符

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 為 Linux)

分出主分區后，其余的部分可以分成擴展分區，一般是剩下的部分全部分成擴展分區，也可以不全分，剩下的部分就浪費了。擴展分區不能直接使用，必須分成若干邏輯分區。所有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.啟動Boot Loader

Linux的Boot的過程

Boot Loader

又叫做 操作系統內核加載器(OS kernel loader)，一個在kernel運行前運行的一段小程序，通過這段程序可以初始化硬件設備，建立內存空間的映射，將系統軟硬件環境帶到一個合適的狀態，便於未來調用操作系統內核。

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會讓系統無法引導 如果配置文件錯誤，則默認跳轉到GRUB命令行界面

GRUB 磁盤引導的過程如下

• stage1: grub 讀取磁盤第一個 512 字節(硬盤的0道0 面1扇區，被稱為 MBR (主引導記錄)， 也稱為bootsect )。 MBR 由一部分 bootloader 的引導代

碼、分區表和魔數三部分組成。（ 啟動的第二步 ）

• Stage1.5: 識別各種不同的文件系統格式。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。不是則去其他介質；如果沒有啟動的介質，顯示“No ROME BASIC”並死機。

• 成功找到介質，跳轉到0X7C00執行MBR的程序•將自己復制到0x0600處且繼續執行

• 主分區表中搜索標志為激活的分區，如果發現沒有激活分區或者不止一個激活分區則停止。

• 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，若不等則停止並嘗試軟盤啟動

• 跳轉到0x7c00繼續執行特定系統的啟動程序

補充：MBR和引導扇區的關系
• MBR存放的位置是整個硬盤的第一個扇區•Boot Sector是硬盤上每一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 ,並進行解壓縮操作 。

• 系統將解壓后的內核放置在內存之中，初始化函數並初始化各種設備，完成 Linux 核心環境的建立。

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username和password。
• 至此，全部啟動過程完成。

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