介紹

操作系統(tǒng)老師說，平時面試學(xué)生或者畢業(yè)答辯的時候他都會問這個問題，可見這個問題對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說是如此重要。那么，從打開計(jì)算機(jī)電源到計(jì)算機(jī)的屏幕顯示，中間經(jīng)歷了哪些過程呢？

啟動的英文是boot，來自于一個諺語

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(jì)算機(jī)開機(jī)， 因?yàn)橛?jì)算機(jī)啟動需要運(yùn)行程序，而運(yùn)行程序又需要計(jì)算機(jī)啟動。這個是一個很矛盾的過程。直到后來開機(jī)程序被刷入ROM芯片后，這個開機(jī)的boot

大概過程是這樣的:

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介紹:

BIOS（Basic Input/Output System）是基本輸入輸出系統(tǒng)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(lián)系最底層的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的橋梁。為了在關(guān)機(jī)后使 BIOS 不會丟失，早期的 BIOS 存儲在 ROM 中，并且其大小不會超過 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(shè)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(shè)置和控制。 BIOS 通常與 硬件系統(tǒng)集成在一起（在計(jì)算機(jī)主板的 ROM 或EEPROM 中），所以也被稱為 固件

如何運(yùn)行

BIOS存放在一個斷電后不會丟失內(nèi)容的ROM中，這保證了“拽著鞋帶拉起自己”的這種情況不會發(fā)生。因?yàn)橄到y(tǒng)一上電或重置，處理器要執(zhí)行第一條指令的地址會被定位到BIOS存儲器，初始化開始運(yùn)行。在X86系統(tǒng)中，CPU加電后跳轉(zhuǎn)至BIOS的固定物理地址0xFFFF0。 打開計(jì)算機(jī)電源，計(jì)算機(jī)會首先加載BIOS，包含

硬件自檢(Power-On Self Test,POST) 如果硬件出現(xiàn)問題，主板會發(fā)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(nèi)存、硬盤等信息。BIOS在執(zhí)行完硬件自檢和初始化后，會將自己復(fù)制到從 0xA0000 開始的物理內(nèi)存中并繼續(xù)執(zhí)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(shè)備、輸出輸入端口等等，可以正常運(yùn)作且正確地初始化。

BIOS產(chǎn)生的問題

1. 開發(fā)效率低：大部分BIOS代碼使用匯編開發(fā)，開發(fā)效率不言而喻。匯編開發(fā)的另一個缺點(diǎn)是使得代碼與設(shè)備的耦合程度太高，代碼受硬件變化的影響大。
2. 性能差：BIOS基本輸入/輸出服務(wù)需要通過中斷來完成，開銷大，并且BIOS沒有提供異步工作模式，大量的時間消耗在等待上。
3. 功能擴(kuò)展性差，升級緩慢：BIOS代碼采用靜態(tài)鏈接，增加硬件功能時，必須將16位代碼放置在0x0C0000～0x0DFFFF區(qū)間，初始化時將其設(shè)置為約定的中斷處理程序。而且BIOS沒有提供動態(tài)加載設(shè)備驅(qū)動的方案。
4. 安全性：BIOS運(yùn)行過程中對可執(zhí)行代碼沒有安全方面的考慮。
5. 不支持從硬盤２TB以上的地址引導(dǎo)：受限于BIOS硬盤的尋址方式，BIOS硬盤采用32位地址，因而引導(dǎo)扇區(qū)的最大邏輯塊地址是232(換算成字節(jié)地址，即232×512=2TB)

由于這些問題的存在，UEFI橫空出世

UEFI中文名為統(tǒng)一可擴(kuò)展固件界面(英語：Unified Extensible Firmware Interface，縮寫UEFI)是一種個人電腦系統(tǒng)規(guī)格，用來定義操作系統(tǒng)與系統(tǒng)硬件之間的軟件界面，作為BIOS的替代方案?？蓴U(kuò)展固件接口負(fù)責(zé)加電自檢（POST），聯(lián)系操作系統(tǒng)以及提供連接作業(yè)系統(tǒng)與硬體的介面。

UEFI與BIOS的幾個區(qū)別

1. EFI使用模塊化、C語言風(fēng)格的參數(shù)堆棧傳遞方式以及動態(tài)鏈接形式構(gòu)建的系統(tǒng)，相對于BIOS而言跟容易實(shí)現(xiàn)，容錯和糾錯特性更強(qiáng)，減少系統(tǒng)研發(fā)的時間。
2. 運(yùn)行于32位或64位模式，面對未來增強(qiáng)的處理器模式下，能突破BIOS 16位代碼的尋址能力，達(dá)到處理器最大尋址。
3. UEFI有良好的鼠標(biāo)操控圖形化界面，在開機(jī)速度也比BIOS快不少

BIOS過程

UEFI過程

相對來說UEFI比BIOS少了一個硬件檢測

即使如此，本章啟動過程還是著重于分析利用BIOS啟動的過程。

2.讀取MBR

MBR-全稱是Master Boot Record(主引導(dǎo)記錄或主開機(jī)記錄)，是一個512byte的扇區(qū)，位于磁盤的固定位置。之所以叫“主引導(dǎo)記錄”，是因?yàn)槠浯嬖谟隍?qū)動器開始部分的一個特殊扇區(qū)，個扇區(qū)包含已安裝的操作系統(tǒng)啟動記載器和驅(qū)動器的邏輯分區(qū)信息。BIOS完成POST和初始化之后，會根據(jù)CMOS中設(shè)定的順序選擇引導(dǎo)的設(shè)備，這個設(shè)備可以是U盤可以是硬盤。若設(shè)置為硬盤，則BIOS就會讀取MBR。MBR里面包含了一段引導(dǎo)程序，一個分區(qū)表和Magic Number。

MBR的結(jié)構(gòu)

位置作用1-445字節(jié)調(diào)用操作系統(tǒng)的機(jī)器碼(Call OS)447-510字節(jié)分區(qū)表(Partition table)511-512字節(jié)主引導(dǎo)記錄簽名(只有兩個，0x55和0xAA，為Magic Number)，如果不是這兩個幻數(shù)，就認(rèn)為這是一個沒有被分區(qū)的硬盤。

分區(qū)表的長度只有64個字節(jié)，里面分為四項(xiàng)，每項(xiàng)為16個字節(jié)。所以一個硬盤只可以分四個一級分區(qū)，又叫做“主分區(qū)”。每個主分區(qū)的16個字節(jié)，結(jié)構(gòu)如下

位置(字節(jié))作用1如果第一個為0x80，表示該主分區(qū)是激活分區(qū)(active)，控制權(quán)將轉(zhuǎn)交給此分區(qū)。幾個分區(qū)中只能有一個是激活分區(qū)，其他都是非激活分區(qū)(inactive)。2-4主分區(qū)的第一個扇區(qū)物理位置(柱面、磁頭、扇區(qū)號等)5主分區(qū)的類型 分區(qū)類型符6-8主分區(qū)最后一個扇區(qū)的物理位置9-12主分區(qū)第一個扇區(qū)的邏輯位置13-16主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)，決定了主分區(qū)的長度

其中第5字節(jié)分區(qū)類型符，有如下特定符

00H H —— 表示該分區(qū)未用 （ 即沒有指定 ） ；

06H H —— FAT 16 基本分區(qū)；

0 0 BH —— FAT 32 基本分區(qū)；

05H H —— 擴(kuò)展分區(qū)；

07H H —— NTFS 分區(qū)；

0 0 FH —— （ LBA 模式 ） 擴(kuò)展分區(qū) (83H H 為 Linux)

分出主分區(qū)后，其余的部分可以分成擴(kuò)展分區(qū)，一般是剩下的部分全部分成擴(kuò)展分區(qū)，也可以不全分，剩下的部分就浪費(fèi)了。擴(kuò)展分區(qū)不能直接使用，必須分成若干邏輯分區(qū)。所有的邏輯分區(qū)都是擴(kuò)展分區(qū)的一 部分 。

3.啟動Boot Loader

**Linux的Boot的過程 **

Boot Loader

又叫做 操作系統(tǒng)內(nèi)核加載器(OS kernel loader)，一個在kernel運(yùn)行前運(yùn)行的一段小程序，通過這段程序可以初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間的映射，將系統(tǒng)軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，便于未來調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核。

Linux下引導(dǎo)加載程序常見兩種LILO和GNU GRUB

LILOGRUB無交互命令界面有交互命令界面不支持網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)支持錯誤配置MBR會讓系統(tǒng)無法引導(dǎo)如果配置文件錯誤，則默認(rèn)跳轉(zhuǎn)到GRUB命令行界面

GRUB 磁盤引導(dǎo)的過程如下

- stage1: grub 讀取磁盤第一個 512 字節(jié)(硬盤的0道0 面1扇區(qū)，被稱為 MBR (主引導(dǎo)記錄)， 也稱為bootsect )。 MBR 由一部分 bootloader 的引導(dǎo)代碼、分區(qū)表和魔數(shù)三部分組成。（ 啟動的第二步 ）- Stage1.5: 識別各種不同的文件系統(tǒng)格式。這使得 grub 識別到文件系統(tǒng)。- stage2: 加載系統(tǒng)引導(dǎo)菜單 (/boot/grub/ menu.lst或 grub.lst) ) ，加載內(nèi)核映像 (kernel image) 和 RAM磁盤 initrd （可選）。

運(yùn)行主引導(dǎo)程序的具體過程

BIOS將硬盤主引導(dǎo)記錄讀入7C00處，并將控制權(quán)交給主引導(dǎo)程序:

1. 檢查0x7dfe地址處是否等于0xaa55。不是則去其他介質(zhì)；如果沒有啟動的介質(zhì)，顯示“No ROME BASIC”并死機(jī)。
2. 成功找到介質(zhì)，跳轉(zhuǎn)到0X7C00執(zhí)行MBR的程序
3. 將自己復(fù)制到0x0600處且繼續(xù)執(zhí)行
4. 主分區(qū)表中搜索標(biāo)志為激活的分區(qū)，如果發(fā)現(xiàn)沒有激活分區(qū)或者不止一個激活分區(qū)則停止。
5. 將激活分區(qū)的第一個扇區(qū)讀入內(nèi)存地址0x7c00
6. 再次檢查位于地址0x7dfe的內(nèi)容是否等于0xaa55，若不等則停止并嘗試軟盤啟動
7. 跳轉(zhuǎn)到0x7c00繼續(xù)執(zhí)行特定系統(tǒng)的啟動程序

補(bǔ)充：MBR和引導(dǎo)扇區(qū)的關(guān)系

• MBR存放的位置是整個硬盤的第一個扇區(qū)
• Boot Sector是硬盤上每一個分區(qū)的第一個扇區(qū)

4. 加載kernel

主要有兩個步驟:

• 根據(jù) grub 設(shè)定的內(nèi)核映像所在路徑 ,系統(tǒng)讀取內(nèi)存映像 ,并進(jìn)行解壓縮操 作 。
• 系統(tǒng)將解壓后的內(nèi)核放置在內(nèi)存之中， 初始化函數(shù)并初始化各種設(shè)備 ， 完 成 Linux 核心環(huán)境的建立 。

以Linux系統(tǒng)為例，先載入/boot目錄下面的kernel。

內(nèi)核加載成功后，第一個運(yùn)行的程序是/sbin/init。它根據(jù)配置文件（Debian系統(tǒng)是/etc/initab）產(chǎn)生init進(jìn)程。這是Linux啟動后的第一個進(jìn)程，pid進(jìn)程編號為1，其他進(jìn)程都是它的后代。

然后，init線程加載系統(tǒng)的各個模塊，比如窗口程序和網(wǎng)絡(luò)程序，直至執(zhí)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。