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计算机是如何启动的?

来源:阮一峰的网络日记 | 作者:阮一峰

本文字数:2800字

阅读本文大概需要:7 分钟

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。

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,它来自一句谚语:

"pull oneself up by one's bootstraps"

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。

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


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

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:

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:

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。

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。

几点说明

找篇文章还是找了挺久的,自己在弄这篇文章的排版的时候,也是花了挺长的时间,而且反复查看有没错别字。结果等到要群发的时候,发现有公众号也发了这篇文章,而且标记了原创。我也是服了,这篇文章不是他写的,也敢标记原创,导致我这篇文章和他重复度太高发不出去。

我是觉得这篇文章挺不错的,想发出来也让大家看看,所以为了能够发出来,有些文字用图片的形式给出了,我是截一张图片就试一下能不能发出去,也是花了不少时间,争取尽量用最少的图片,这样阅读起来会比较舒服点。

不过对于这种不是自己文章也标原创的人我是特别、非常反感的,写过文章的都知道写一篇文章是需要花很多时间的,申请转载就已经很不错了,还把文章搞成是自己写的,而且观察了下他的公众号,好多文章都是截图别人的文章以图片的形式发的,我是毫不客气着去他公众号怼了一波,在此就不暴露他的公众号名称了。

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