計(jì)算機(jī)是如何啟動(dòng)的？

計(jì)算機(jī)是如何啟動(dòng)的？

從打開(kāi)電源到開(kāi)始操作，計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。

我一直搞不清楚，這個(gè)過(guò)程到底是怎么回事，只看見(jiàn)屏幕快速滾動(dòng)各種提示...... 這幾天，我查了一些資料，試圖搞懂它。下面就是我整理的筆記。

零、boot 的含義

先問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，"啟動(dòng)"用英語(yǔ)怎么說(shuō)？

回答是 boot?？墒牵琤oot 原來(lái)的意思是靴子，"啟動(dòng)"與靴子有什么關(guān)系呢？ 原來(lái)，這里的 boot 是 bootstrap（鞋帶）的縮寫，它來(lái)自一句諺語(yǔ)：

"pull oneself up by one's bootstraps"

字面意思是"拽著鞋帶把自己拉起來(lái)"，這當(dāng)然是不可能的事情。最早的時(shí)候，工程師們用它來(lái)比喻，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)是一個(gè)很矛盾的過(guò)程：必須先運(yùn)行程序，然后計(jì)算機(jī)才能啟動(dòng)，但是計(jì)算機(jī)不啟動(dòng)就無(wú)法運(yùn)行程序！

早期真的是這樣，必須想盡各種辦法，把一小段程序裝進(jìn)內(nèi)存，然后計(jì)算機(jī)才能正常運(yùn)行。所以，工程師們把這個(gè)過(guò)程叫做"拉鞋帶"，久而久之就簡(jiǎn)稱為 boot 了。

計(jì)算機(jī)的整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程分成四個(gè)階段。

一、第一階段：BIOS

上個(gè)世紀(jì) 70 年代初，"只讀內(nèi)存"（read-only memory，縮寫為 ROM）發(fā)明，開(kāi)機(jī)程序被刷入 ROM 芯片，計(jì)算機(jī)通電后，第一件事就是讀取它。

這塊芯片里的程序叫做"基本輸出輸入系統(tǒng)"（Basic Input/Output System），簡(jiǎn)稱為 BIOS。

1. 1 硬件自檢

BIOS 程序首先檢查，計(jì)算機(jī)硬件能否滿足運(yùn)行的基本條件，這叫做"硬件自檢"（Power-On Self-Test），縮寫為 POST。

如果硬件出現(xiàn)問(wèn)題，主板會(huì)發(fā)出不同含義的蜂鳴，啟動(dòng)中止。如果沒(méi)有問(wèn)題，屏幕就會(huì)顯示出 CPU、內(nèi)存、硬盤等信息。

1. 2 啟動(dòng)順序

硬件自檢完成后，BIOS 把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給下一階段的啟動(dòng)程序。

這時(shí)，BIOS 需要知道，"下一階段的啟動(dòng)程序"具體存放在哪一個(gè)設(shè)備。也就是說(shuō)，BIOS 需要有一個(gè)外部?jī)?chǔ)存設(shè)備的排序，排在前面的設(shè)備就是優(yōu)先轉(zhuǎn)交控制權(quán)的設(shè)備。這種排序叫做"啟動(dòng)順序"（Boot Sequence）。

打開(kāi) BIOS 的操作界面，里面有一項(xiàng)就是"設(shè)定啟動(dòng)順序"。

二、第二階段：主引導(dǎo)記錄

BIOS 按照"啟動(dòng)順序"，把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給排在第一位的儲(chǔ)存設(shè)備。

這時(shí)，計(jì)算機(jī)讀取該設(shè)備的第一個(gè)扇區(qū)，也就是讀取最前面的 512 個(gè)字節(jié)。如果這 512 個(gè)字節(jié)的最后兩個(gè)字節(jié)是 0x55 和 0xAA，表明這個(gè)設(shè)備可以用于啟動(dòng)；如果不是，表明設(shè)備不能用于啟動(dòng)，控制權(quán)于是被轉(zhuǎn)交給"啟動(dòng)順序"中的下一個(gè)設(shè)備。

這最前面的 512 個(gè)字節(jié)，就叫做"主引導(dǎo)記錄"（Master boot record，縮寫為 MBR）。

2. 1 主引導(dǎo)記錄的結(jié)構(gòu)

"主引導(dǎo)記錄"只有 512 個(gè)字節(jié)，放不了太多東西。它的主要作用是，告訴計(jì)算機(jī)到硬盤的哪一個(gè)位置去找操作系統(tǒng)。

主引導(dǎo)記錄由三個(gè)部分組成：

（1） 第1-446 字節(jié)：調(diào)用操作系統(tǒng)的機(jī)器碼。

（2） 第 447-510 字節(jié)：分區(qū)表（Partition table）。

（3） 第 511-512 字節(jié)：主引導(dǎo)記錄簽名（0x55 和 0xAA）。

其中，第二部分"分區(qū)表"的作用，是將硬盤分成若干個(gè)區(qū)。

2. 2 分區(qū)表

硬盤分區(qū)有很多好處?？紤]到每個(gè)區(qū)可以安裝不同的操作系統(tǒng)，"主引導(dǎo)記錄"因此必須知道將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給哪個(gè)區(qū)。

分區(qū)表的長(zhǎng)度只有 64 個(gè)字節(jié)，里面又分成四項(xiàng)，每項(xiàng) 16 個(gè)字節(jié)。所以，一個(gè)硬盤最多只能分四個(gè)一級(jí)分區(qū)，又叫做"主分區(qū)"。

每個(gè)主分區(qū)的 16 個(gè)字節(jié)，由 6 個(gè)部分組成：

（1） 第 1 個(gè)字節(jié)：如果為 0x80，就表示該主分區(qū)是激活分區(qū)，控制權(quán)要轉(zhuǎn)交給這個(gè)分區(qū)。四個(gè)主分區(qū)里面只能有一個(gè)是激活的。

（2） 第2-4 個(gè)字節(jié)：主分區(qū)第一個(gè)扇區(qū)的物理位置（柱面、磁頭、扇區(qū)號(hào)等等）。

（3） 第 5 個(gè)字節(jié)：主分區(qū)類型。

（4） 第6-8 個(gè)字節(jié)：主分區(qū)最后一個(gè)扇區(qū)的物理位置。

（5） 第9-12 字節(jié)：該主分區(qū)第一個(gè)扇區(qū)的邏輯地址。

（6） 第 13-16 字節(jié)：主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)。

最后的四個(gè)字節(jié)（"主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)"），決定了這個(gè)主分區(qū)的長(zhǎng)度。也就是說(shuō)，一個(gè)主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)最多不超過(guò) 2 的 32 次方。

如果每個(gè)扇區(qū)為 512 個(gè)字節(jié)，就意味著單個(gè)分區(qū)最大不超過(guò) 2TB。再考慮到扇區(qū)的邏輯地址也是 32 位，所以單個(gè)硬盤可利用的空間最大也不超過(guò) 2TB。如果想使用更大的硬盤，只有 2 個(gè)方法：一是提高每個(gè)扇區(qū)的字節(jié)數(shù)，二是增加扇區(qū)總數(shù)。

三、第三階段：硬盤啟動(dòng)

這時(shí)，計(jì)算機(jī)的控制權(quán)就要轉(zhuǎn)交給硬盤的某個(gè)分區(qū)了，這里又分成三種情況。

3. 1 情況A：卷引導(dǎo)記錄

上一節(jié)提到，四個(gè)主分區(qū)里面，只有一個(gè)是激活的。計(jì)算機(jī)會(huì)讀取激活分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，叫做"卷引導(dǎo)記錄"（Volume boot record，縮寫為 VBR）。

"卷引導(dǎo)記錄"的主要作用是，告訴計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)在這個(gè)分區(qū)里的位置。然后，計(jì)算機(jī)就會(huì)加載操作系統(tǒng)了。

3. 2 情況B：擴(kuò)展分區(qū)和邏輯分區(qū)

隨著硬盤越來(lái)越大，四個(gè)主分區(qū)已經(jīng)不夠了，需要更多的分區(qū)。但是，分區(qū)表只有四項(xiàng)，因此規(guī)定有且僅有一個(gè)區(qū)可以被定義成"擴(kuò)展分區(qū)"（Extended partition）。

所謂"擴(kuò)展分區(qū)"，就是指這個(gè)區(qū)里面又分成多個(gè)區(qū)。這種分區(qū)里面的分區(qū)，就叫做"邏輯分區(qū)"（logical partition）。

計(jì)算機(jī)先讀取擴(kuò)展分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，叫做"擴(kuò)展引導(dǎo)記錄"（Extended boot record，縮寫為 EBR）。它里面也包含一張 64 字節(jié)的分區(qū)表，但是最多只有兩項(xiàng)（也就是兩個(gè)邏輯分區(qū)）。

計(jì)算機(jī)接著讀取第二個(gè)邏輯分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，再?gòu)睦锩娴姆謪^(qū)表中找到第三個(gè)邏輯分區(qū)的位置，以此類推，直到某個(gè)邏輯分區(qū)的分區(qū)表只包含它自身為止（即只有一個(gè)分區(qū)項(xiàng)）。因此，擴(kuò)展分區(qū)可以包含無(wú)數(shù)個(gè)邏輯分區(qū)。

但是，似乎很少通過(guò)這種方式啟動(dòng)操作系統(tǒng)。如果操作系統(tǒng)確實(shí)安裝在擴(kuò)展分區(qū)，一般采用下一種方式啟動(dòng)。

3. 3 情況C：?jiǎn)?dòng)管理器

在這種情況下，計(jì)算機(jī)讀取"主引導(dǎo)記錄"前面 446 字節(jié)的機(jī)器碼之后，不再把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給某一個(gè)分區(qū)，而是運(yùn)行事先安裝的"啟動(dòng)管理器"（boot loader），由用戶選擇啟動(dòng)哪一個(gè)操作系統(tǒng)。

Linux 環(huán)境中，目前最流行的啟動(dòng)管理器是 Grub。

四、第四階段：操作系統(tǒng)

控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)后，操作系統(tǒng)的內(nèi)核首先被載入內(nèi)存。

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(gè)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(dòng)后的第一個(gè)進(jìn)程，pid 進(jìn)程編號(hào)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(gè)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，等待用戶輸入用戶名和密碼。

至此，全部啟動(dòng)過(guò)程完成。