你想知道计算机的启动过程吗？

​操做系统老师说，平时面试学生或者毕业答辩的时候他都会问这个问题，可见这个问题对于计算机专业的学生来讲是如此重要。那么，从打开计算机电源到计算机的屏幕显示，中间经历了哪些过程呢？

启动的英文是boot，来自于一个谚语

pull oneself up by one's bootstraps

经过拉本身的鞋带把本身拽起

这个很明显是矛盾的。工程师早期用这句谚语用来比喻早期的计算机开机， 由于计算机启动须要运行程序，而运行程序又须要计算机启动。这个是一个很矛盾的过程。直到后来开机程序被刷入ROM芯片后，这个开机的boot

大概过程是这样的:

 

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介绍:

BIOS（Basic Input/Output System）是基本输入输出系统的简称。BIOS 能为电脑提供最低级、最直接的硬件控制与支持，是联系最底层的硬件系统和软件系统的桥梁。为了在关机后使 BIOS 不会丢失，早期的 BIOS 存储在 ROM 中，而且其大小不会超过 64KB；而目前的 BIOS 大多有 1MB 到 2MB，因此会被存储在 闪存（Flash Memory）中。

 

BIOS 设置程序是被固化到电脑主板上地 ROM 芯片中的一组程序，其主要功能是为电脑提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。 BIOS 一般与 硬件系统集成在一块儿（在计算机主板的 ROM 或EEPROM 中），因此也被称为 固件

 

如何运行

BIOS存放在一个断电后不会丢失内容的ROM中，这保证了“拽着鞋带拉起本身”的这种状况不会发生。由于系统一上电或重置，处理器要执行第一条指令的地址会被定位到BIOS存储器，初始化开始运行。在X86系统中，CPU加电后跳转至BIOS的固定物理地址0xFFFF0。 打开计算机电源，计算机会首先加载BIOS，包含

 

CPU相关信息设备启动顺序信息硬盘信息内存信息时钟信息PhP特性...

 

硬件自检(Power-On Self Test,POST) 若是硬件出现问题，主板会发出不一样含义的蜂鸣 ，启动停止。若是没有问题，屏幕就会显示出CPU 、内存、硬盘等信息。BIOS在执行完硬件自检和初始化后，会将本身复制到从 0xA0000 开始的物理内存中并继续执行。

 

BIOS 代码包含诊断功能，以保证某些重要硬件组件，像是键盘、磁盘设备、输出输入端口等等，能够正常运做且正确地初始化。

 

BIOS产生的问题

•开发效率低：大部分BIOS代码使用汇编开发，开发效率不言而喻。汇编开发的另外一个缺点是使得代码与设备的耦合程度过高，代码受硬件变化的影响大。•性能差：BIOS基本输入/输出服务须要经过中断来完成，开销大，而且BIOS没有提供异步工做模式，大量的时间消耗在等待上。•功能扩展性差，升级缓慢：BIOS代码采用静态连接，增长硬件功能时，必须将16位代码放置在0x0C0000～0x0DFFFF区间，初始化时将其设置为约定的中断处理程序。并且BIOS没有提供动态加载设备驱动的方案•安全性：BIOS运行过程当中对可执行代码没有安全方面的考虑。•不支持从硬盘２TB以上的地址引导：受限于BIOS硬盘的寻址方式，BIOS硬盘采用32位地址，于是引导扇区的最大逻辑块地址是232(换算成字节地址，即232×512=2TB)

因为这些问题的存在，UEFI横空出世

 

UEFI中文名为统一可扩展固件界面(英语：Unified Extensible Firmware Interface，缩写UEFI)是一种我的电脑系统规格，用来定义操做系统与系统硬件之间的软件界面，做为BIOS的替代方案。可扩展固件接口负责加电自检（POST），联系操做系统以及提供链接做业系统与硬体的介面。

 

UEFI与BIOS的几个区别

 

一、EFI使用模块化、C语言风格的参数堆栈传递方式以及动态连接形式构建的系统，相对于BIOS而言跟容易实现，容错和纠错特性更强，减小系统研发的时间。

 

二、运行于32位或64位模式，面对将来加强的处理器模式下，能突破BIOS 16位代码的寻址能力，达处处理器最大寻址。

 

三、UEFI有良好的鼠标操控图形化界面，在开机速度也比BIOS快很多

 

 

BIOS过程

UEFI过

相对来讲UEFI比BIOS少了一个硬件检测

即便如此，本章启动过程仍是着重于分析利用BIOS启动的过程。

2.读取MBR

MBR-全称是Master Boot Record(主引导记录或主开机记录)，是一个512byte的扇区，位于磁盘的固定位置。之因此叫“主引导记录”，是由于其存在于驱动器开始部分的一个特殊扇区，个扇区包含已安装的操做系统启动记载器和驱动器的逻辑分区信息。BIOS完成POST和初始化以后，会根据CMOS中设定的顺序选择引导的设备，这个设备能够是U盘能够是硬盘。若设置为硬盘，则BIOS就会读取MBR。MBR里面包含了一段引导程序，一个分区表和Magic Number。

MBR的结构

位置	做用
1-445字节	调用操做系统的机器码(Call OS)
447-510字节	分区表(Partition table)
511-512字节	主引导记录签名(只有两个，0x55和0xAA，为Magic Number)，若是不是这两个幻数，就认为这是一个没有被分区的硬盘。

 

分区表的长度只有64个字节，里面分为四项，每项为16个字节。因此一个硬盘只能够分四个一级分区，又叫作“主分区”。每一个主分区的16个字节，结构以下

 

位置(字节)	做用
1	若是第一个为0x80，表示该主分区是激活分区(active)，控制权将转交给此分区。几个分区中只能有一个是激活分区，其余都是非激活分区(inactive)。
2-4	主分区的第一个扇区物理位置(柱面、磁头、扇区号等)
5	主分区的类型 分区类型符
6-8	主分区最后一个扇区的物理位置
9-12	主分区第一个扇区的逻辑位置
13-16	主分区的扇区总数，决定了主分区的长度

 

其中第5字节分区类型符，有以下特定符

00H H —— 表示该分区未用 （ 即没有指定 ） ；

06H H —— FAT 16 基本分区；

0 0 BH —— FAT 32 基本分区；

05H H —— 扩展分区；

07H H —— NTFS 分区；

0 0 FH —— （ LBA 模式 ） 扩展分区 (83H H 为 Linux)

 

分出主分区后，其他的部分能够分红扩展分区，通常是剩下的部分所有分红扩展分区，也能够不全分，剩下的部分就浪费了。扩展分区不能直接使用，必须分红若干逻辑分区。全部的逻辑分区都是扩展分区的一 部分 。

 

硬盘的容量 ＝ 主分区的容量 ＋ 扩展分区的容量​扩展分区的容量 ＝ 各个逻辑分区的容量之和

3.启动Boot Loader

*Linux的Boot的过程 *

Boot Loader

又叫作 操做系统内核加载器(OS kernel loader)，一个在kernel运行前运行的一段小程序，经过这段程序能够初始化硬件设备，创建内存空间的映射，将系统软硬件环境带到一个合适的状态，便于将来调用操做系统内核。

Linux下引导加载程序常见两种LILO^[1]和GNU GRUB^[2]

 

LILO	GRUB
无交互命令界面	有交互命令界面
不支持网络引导	支持
错误配置MBR会让系统没法引导	若是配置文件错误，则默认跳转到GRUB命令行界面

 

GRUB 磁盘引导的过程以下

 

- stage1: grub 读取磁盘第一个 512 字节(硬盘的0道0 面1扇区，被称为 MBR (主引导记录)， 也称为bootsect )。 MBR 由一部分 bootloader 的引导代码、分区表和魔数三部分组成。（ 启动的第二步 ）- Stage1.5: 识别各类不一样的文件系统格式。这使得 grub 识别到文件系统。- stage2: 加载系统引导菜单 (/boot/grub/ menu.lst或 grub.lst) ) ，加载内核映像 (kernel image) 和 RAM磁盘 initrd （可选）。

 

运行主引导程序的具体过程

BIOS将硬盘主引导记录读入7C00处，并将控制权交给主引导程序:

•检查0x7dfe地址处是否等于0xaa55。不是则去其余介质；若是没有启动的介质，显示“No ROME BASIC”并死机。•成功找到介质，跳转到0X7C00执行MBR的程序•将本身复制到0x0600处且继续执行•主分区表中搜索标志为激活的分区，若是发现没有激活分区或者不止一个激活分区则中止。•将激活分区的第一个扇区读入内存地址0x7c00•再次检查位于地址0x7dfe的内容是否等于0xaa55，若不等则中止并尝试软盘启动•跳转到0x7c00继续执行特定系统的启动程序

补充：MBR和引导扇区的关系

•MBR存放的位置是整个硬盘的第一个扇区•Boot Sector是硬盘上每个分区的第一个扇区

4. 加载kernel

 

主要有两个步骤:

• 根据 grub 设定的内核映像所在路径 ,系统读取内存映像 ,并进行解压缩操 做 。

• 系统将解压后的内核放置在内存之中， 初始化函数并初始化各类设备 ， 完 成 Linux 核心环境的创建 。

 

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，其余进程都是它的后代。

而后，init线程加载系统的各个模块，好比窗口程序和网络程序，直至执行/bin/login程序，跳出登陆界面，等待用户输入username和password。

至此，所有启动过程完成。References

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