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1、上一篇：上一篇：纪录片纪录片TPB AFKTPB AFK下一篇：下一篇：玉门人家照相馆玉门人家照相馆 分类分类：ITIT技技术术阮一峰的网络日志 首页 档案计算机是如何启动的？作者： 阮一峰日期： 2013年2月16日从打开电源到开始操作，计算机的启动是一个非常复杂的过程。我一直搞不清楚，这个过程到底是怎么回事，只看见屏幕快速滚动各种提示. 这几天，我查了一些资料，试图搞懂它。下面就是我整理的笔记。零、boot的含义先问一个问题，“启动“用英语怎么说？回答是boot。可是，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
2、谚语：“ p u l l o n e s e l f u p b y o n e s b o o t s t r a p s “字面意思是“拽着鞋带把自己拉起来“，这当然是不可能的事情。最早的时候，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，然后计算机才能启动，但是计算机不启动就无法运行程序！早期真的是这样，必须想尽各种办法，把一小段程序装进内存，然后计算机才能正常运行。所以，工程师们把这个过程叫做“拉鞋带“，久而久之就简称为boot了。计算机的整个启动过程分成四个阶段。一、第一阶段：BIOS上个世纪70年代初，“只读内存“（read-only memory，缩写为ROM
3、）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。这块芯片里的程序叫做“基本輸出輸入系統“（Basic Input/Output System），简称为BIOS。1.1 硬件自检BIOS程序首先检查，计算机硬件能否满足运行的基本条件，这叫做“硬件自检“（Power-On Self-Test），缩写为POST。如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动中止。如果没有问题，屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。1.2 启动顺序硬件自检完成后，BIOS把控制权转交给下一阶段的启动程序。这时，BIOS需要知道，“下一阶段的启动程序“具体存放在哪一个设备。也就是说，BIOS需要
4、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。这种排序叫做“启动顺序“（Boot Sequence）。打开BIOS的操作界面，里面有一项就是“设定启动顺序“。二、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。如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动，控制权于是被转交给“启动顺序“中的下一个设备。这最前面的512个字节，就叫做“主引导记录“（Master boot record，缩写为MBR）。2.1 主
5、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。它的主要作用是，告诉计算机到硬盘的哪一个位置去找操作系统。主引导记录由三个部分组成：（1 ） 第1 - 4 4 6 字节：调用操作系统的机器码。（2 ） 第4 4 7 - 5 1 0 字节：分区表（P a r t i t i o n t a b l e ）。（3 ） 第5 1 1 - 5 1 2 字节：主引导记录签名（0 x 5 5 和0 x A A ）。其中，第二部分“分区表“的作用，是将硬盘分成若干个区。2.2 分区表硬盘分区有很多好处。考虑到每个区可以安装不同的操作系统，“主引导记录“因此必须知道将控制权转交给哪个区。分区表的
6、长度只有64个字节，里面又分成四项，每项16个字节。所以，一个硬盘最多只能分四个一级分区，又叫做“主分区“。每个主分区的16个字节，由6个部分组成：（1 ） 第1 个字节：如果为0 x 8 0 ，就表示该主分区是激活分区，控制权要转交给这个分区。四个主分区里面只能有一个是激活的。（2 ） 第2 - 4 个字节：主分区第一个扇区的物理位置（柱面、磁头、扇区号等等）。（3 ） 第5 个字节：主分区类型。（4 ） 第6 - 8 个字节：主分区最后一个扇区的物理位置。（5 ） 第9 - 1 2 字节：该主分区第一个扇区的逻辑地址。（6 ） 第1 3 - 1 6 字节：主分区的扇区总数。最后的四个字节（
7、“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。如果每个扇区为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，所以单个硬盘可利用的空间最大也不超过2TB。如果想使用更大的硬盘，只有2个方法：一是提高每个扇区的字节数，二是增加扇区总数。三、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，这里又分成三种情况。3.1 情况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，叫做“卷引导记录“（Volume boot record，缩写为VBR）。“卷引导
8、记录“的主要作用是，告诉计算机，操作系统在这个分区里的位置。然后，计算机就会加载操作系统了。3.2 情况B：扩展分区和逻辑分区随着硬盘越来越大，四个主分区已经不够了，需要更多的分区。但是，分区表只有四项，因此规定有且仅有一个区可以被定义成“扩展分区“（Extended partition）。所谓“扩展分区“，就是指这个区里面又分成多个区。这种分区里面的分区，就叫做“逻辑分区“（logical partition）。计算机先读取扩展分区的第一个扇区，叫做“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，但是最多只有两项（也就是两个逻辑分
9、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）。因此，扩展分区可以包含无数个逻辑分区。但是，似乎很少通过这种方式启动操作系统。如果操作系统确实安装在扩展分区，一般采用下一种方式启动。3.3 情况C：启动管理器在这种情况下，计算机读取“主引导记录“前面446字节的机器码之后，不再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），由用户选择启动哪一个操作系统。Linux环境中，目前最流行的启动管理器是Grub。四、第四阶段：操作系统控制权转交给操作
10、系统后，操作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，其他进程都是它的后代。然后，init线程加载系统的各个模块，比如窗口程序和网络程序，直至执行/bin/login程序，跳出登录界面，等待用户输入用户名和密码。至此，全部启动过程完成。（完）文档信息文档信息版权声明：自由转载版权声明：自由转载- -非商用非商用- -非衍生非衍生- -保持署名保持署名 | | Cre
11、ative Commons BY-Creative Commons BY-NC-ND 3.0NC-ND 3.0原文网址：原文网址：http:/ 2月月2626日日 11:55 11:55付费支持：付费支持： | | 相关文章2013.01.31: 代码的抽象三原则软件开发是“抽象化“原则（Abstraction）的一种体现。2013.01.02: 反Secure Boot垄断：兼谈如何在Windows 8电脑上安装Linux一、自由软件基金会的呼吁功能链接前一篇：纪录片TPB AFK与现行版权制度后一篇：玉门人家照相馆更多内容请访问：首页 档案 IT技术站内搜索：系统 GO！Feed订阅： 广
12、告（购买广告位）留言（35条）海纳百川 说：沙发，学习了。虽是计算机专业，但对底层的东西了解的不深，往往又拿透明的来搪塞自己。2013年2月16日 14:21 | 档案 | 引用lvzongting 说：bios不一定存在，bios只是提供了一个固定的方式，去访问其他输入输出设备，存在的目的是可以将硬件的变化简化，这样内核就可以通过和固定的bios通信来获取基本的硬件地址信息，然后再获得更充分的硬件地址信息。没有bios的计算机，就没有这么一个固定的方式，随着硬件的改变，就要静态的改变内核内部设备的入口地址，然后重新编译。可以这么说bios是使得现在操作系统变得通用的一个利器。比如现在不同的a
13、rm手机的内核不能随便换着用，而有bios的计算机内核即使硬件不那么一样，却可以用同样的内核。还比如现在很多时候都会将硬件地址的map独立于内核写到一个单独的文件中，内核载入的时候会从这些文件中读取硬件的入口地址。从上电开始，处理器的指令计数器会被初始化成一个值(这个值不一定是0x0000H，因为一般还会在前面放中断向量表)，然后从这个地址开始执行程序。这些程序有可能放到片内的flash，有可能放到片外的flash，或是RAM里面。由于RAM是掉电易失的，所以可能需要先从其他存储设备中载入内存然后再从内存中调入片内进行运算。2013年2月16日 14:40 | 档案 | 引用snowqiang
14、 说：这样来看， boot翻译成自举还是挺形象的。2013年2月16日 15:53 | 档案 | 引用Whtfor 说：计算机通电后，第一件事就是读取它。我更好奇，是*什么*又是*怎么*读取的。2013年2月16日 17:28 | 档案 | 引用张刚 说：MBR是个很重要的概念，在经历N次启动硬盘找不到OS的情况才能深刻了解。VBR（卷引导记录）应该是硬盘在逻辑卷（LVM）管理方式的情况，不过LVM可以是管理多个硬盘，或者是单个硬盘的某个分区。2013年2月16日 18:40 | 档案 | 引用Mike 说：For UEFI, it is a different story.2013年2月16
15、日 18:41 | 档案 | 引用Canson 说：引用M i k e 的发言：For UEFI, it is a different story.的确，或者说即使不是UEFI，Legacy的Bios的故事也有别的变种。BIOS 工程师路过2013年2月16日 19:06 | 档案 | 引用OJ77 说：很不错，解决了很多疑惑！2013年2月16日 20:42 | 档案 | 引用大磊童鞋 说：我曾经也写过一个类似的启动过程，更加注重的是linux/unix系统，如果从加电到grub1/2的执行，分别考虑到了EFI和BIOS的过程，地址是：http:/www.dalei.org/linux-unix-boot-process2013年2月16日 20:46 | 档案 | 引用iyue 说：boot这个说明写的真好2013年2月16日 21:44 | 档案 | 引用cumirror 说：谢谢阮兄的好文。下面这篇文章中有关于硬盘分区的详细介绍：http:/ 22:44 | 档案 | 引用goddyang 说：我印象中MBR和partition table不是包含关系，MBR只包含最前面的446个字节的内容2013年2月17日 00:15 | 档案 | 引用stone 说：引用g o d d y a n g 的发言：我
