【ZZ】计算机是如何启动的?

从打开电源到开始操做,计算机的启动是一个很是复杂的过程。


零、boot的含义

先问一个问题,"启动"用英语怎么说?

回答是boot。但是,boot原来的意思是靴子,"启动"与靴子有什么关系呢? 原来,这里的boot是bootstrap(鞋带)的缩写,它来自一句谚语: bootstrap

字面意思是"拽着鞋带把本身拉起来",这固然是不可能的事情。最先的时候,工程师们用它来比喻,计算机启动是一个很矛盾的过程:必须先运行程序,而后计算机才能启动,可是计算机不启动就没法运行程序!

早期真的是这样,必须想尽各类办法,把一小段程序装进内存,而后计算机才能正常运行。因此,工程师们把这个过程叫作"拉鞋带",长此以往就简称为boot了。

计算机的整个启动过程分红四个阶段。 网络

1、第一阶段:BIOS

上个世纪70年代初,"只读内存"(read-only memory,缩写为ROM)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。 操作系统

这块芯片里的程序叫作"基本輸出輸入系統"(Basic Input/Output System),简称为BIOS。 线程

1.1 硬件自检

BIOS程序首先检查,计算机硬件可否知足运行的基本条件,这叫作"硬件自检"(Power-On Self-Test),缩写为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。 排序

硬件自检完成后,BIOS把控制权转交给下一阶段的启动程序。

这时,BIOS须要知道,"下一阶段的启动程序"具体存放在哪个设备。也就是说,BIOS须要有一个外部储存设备的排序,排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。这种排序叫作"启动顺序"(Boot Sequence)。

打开BIOS的操做界面,里面有一项就是"设定启动顺序"。 进程

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储存设备。

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。若是这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA,代表这个设备能够用于启动;若是不是,代表设备不能用于启动,控制权因而被转交给"启动顺序"中的下一个设备。

这最前面的512个字节,就叫作"主引导记录"(Master boot record,缩写为MBR)。

2.1 主引导记录的结构

"主引导记录"只有512个字节,放不了太多东西。它的主要做用是,告诉计算机到硬盘的哪个位置去找操做系统。

主引导记录由三个部分组成: 内存

其中,第二部分"分区表"的做用,是将硬盘分红若干个区。

2.2 分区表

硬盘分区有不少好处。考虑到每一个区能够安装不一样的操做系统,"主引导记录"所以必须知道将控制权转交给哪一个区。

分区表的长度只有64个字节,里面又分红四项,每项16个字节。因此,一个硬盘最多只能分四个一级分区,又叫作"主分区"。

每一个主分区的16个字节,由6个部分组成: it

最后的四个字节("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32次方。

若是每一个扇区为512个字节,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,因此单个硬盘可利用的空间最大也不超过2TB。若是想使用更大的硬盘,只有2个方法:一是提升每一个扇区的字节数,二是增长扇区总数。

3、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,这里又分红三种状况。

3.1 状况A:卷引导记录

上一节提到,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,叫作"卷引导记录"(Volume boot record,缩写为VBR)。

"卷引导记录"的主要做用是,告诉计算机,操做系统在这个分区里的位置。而后,计算机就会加载操做系统了。

3.2 状况B:扩展分区和逻辑分区

随着硬盘愈来愈大,四个主分区已经不够了,须要更多的分区。可是,分区表只有四项,所以规定有且仅有一个区能够被定义成"扩展分区"(Extended partition)。

所谓"扩展分区",就是指这个区里面又分红多个区。这种分区里面的分区,就叫作"逻辑分区"(logical partition)。

计算机先读取扩展分区的第一个扇区,叫作"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,可是最多只有两项(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)。所以,扩展分区能够包含无数个逻辑分区。

可是,彷佛不多经过这种方式启动操做系统。若是操做系统确实安装在扩展分区,通常采用下一种方式启动。 io

3.3 状况C:启动管理器

在这种状况下,计算机读取"主引导记录"前面446字节的机器码以后,再也不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),由用户选择启动哪个操做系统。

Linux环境中,目前最流行的启动管理器是Grub。 ast

4、第四阶段:操做系统 控制权转交给操做系统后,操做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,等待用户输入用户名和密码。 至此,所有启动过程完成。 (完)

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