Windows系统启动过程详细分析

打开电源启动机器几乎是电脑爱好者每天必做的事情，面对屏幕上出现的一幅幅启动画面，我们一点儿也不会感到陌生，但是，计算机在显示这些启动画面时都做了些什么工作呢？相信有的朋友还不是很清楚，本文就来介绍一下从打开电源到出现Windows的蓝天白云时，计算机到底都干了些什么事情。

首先让我们来了解一些基本概念。第一个是大家非常熟悉的BIOS（基本输入输出系统），BIOS是直接与硬件打交道的底层代码，它为操作系统提供了控制硬件设备的基本功能。BIOS包括有系统BIOS（即常说的主板BIOS）、显卡BIOS和其它设备（例如IDE控制器、SCSI卡或网卡等）的BIOS，其中系统BIOS是本文要讨论的主角，因为计算机的启动过程正是在它的控制下进行的。BIOS一般被存放在ROM(只读存储芯片)之中，即使在关机或掉电以后，这些代码也不会消失。

第二个基本概念是内存的地址，我们的机器中一般安装有32MB、64MB或128MB内存，这些内存的每一个字节都被赋予了一个地址，以便CPU访问内存。32MB的地址范围用十六进制数表示就是0～1FFFFFFH，其中0～FFFFFH的低端1MB内存非常特殊，因为最初的8086处理器能够访问的内存最大只有1MB，这1MB的低端640KB被称为基本内存，而A0000H～BFFFFH要保留给显示卡的显存使用，C0000H～FFFFFH则被保留给BIOS使用，其中系统BIOS一般占用了最后的64KB或更多一点的空间，显卡BIOS一般在C0000H～C7FFFH处，IDE控制器的BIOS在C8000H～CBFFFH处。

好了，下面我们就来仔细看看计算机的启动过程吧。

第一步： 当我们按下电源开关时，电源就开始向主板和其它设备供电，此时电压还不太稳定，主板上的控制芯片组会向CPU发出并保持一个RESET（重置）信号，让CPU内部自动恢复到初始状态，但CPU在此刻不会马上执行指令。当芯片组检测到电源已经开始稳定供电了（当然从不稳定到稳定的过程只是一瞬间的事情），它便撤去RESET信号（如果是手工按下计算机面板上的Reset按钮来重启机器，那么松开该按钮时芯片组就会撤去RESET信号），CPU马上就从地址FFFF0H处开始执行指令，从前面的介绍可知，这个地址实际上在系统BIOS的地址范围内，无论是Award BIOS还是AMI BIOS，放在这里的只是一条跳转指令，跳到系统BIOS中真正的启动代码处。

第二步： 系统BIOS的启动代码首先要做的事情就是进行POST（Power－On Self Test，加电后自检），POST的主要任务是检测系统中一些关键设备是否存在和能否正常工作，例如内存和显卡等设备。由于POST是最早进行的检测过程，此时显卡还没有初始化，如果系统BIOS在进行POST的过程中发现了一些致命错误，例如没有找到内存或者内存有问题（此时只会检查640K常规内存），那么系统BIOS就会直接控制喇叭发声来报告错误，声音的长短和次数代表了错误的类型。在正常情况下，POST过程进行得非常快，我们几乎无法感觉到它的存在，POST结束之后就会调用其它代码来进行更完整的硬件检测。

第三步： 接下来系统BIOS将查找显卡的BIOS，前面说过，存放显卡BIOS的ROM芯片的起始地址通常设在C0000H处，系统BIOS在这个地方找到显卡BIOS之后就调用它的初始化代码，由显卡BIOS来初始化显卡，此时多数显卡都会在屏幕上显示出一些初始化信息，介绍生产厂商、图形芯片类型等内容，不过这个画面几乎是一闪而过。系统BIOS接着会查找其它设备的BIOS程序，找到之后同样要调用这些BIOS内部的初始化代码来初始化相关的设备。

第四步： 查找完所有其它设备的BIOS之后，系统BIOS将显示出它自己的启动画面，其中包括有系统BIOS的类型、序列号和版本号等内容。

第五步： 接着系统BIOS将检测和显示CPU的类型和工作频率，然后开始测试所有的RAM，并同时在屏幕上显示内存测试的进度，我们可以在CMOS设置中自行决定使用简单耗时少或者详细耗时多的测试方式。

第六步： 内存测试通过之后，系统BIOS将开始检测系统中安装的一些标准硬件设备，包括硬盘、CD－ROM、串口、并口、软驱等设备，另外绝大多数较新版本的系统BIOS在这一过程中还要自动检测和设置内存的定时参数、硬盘参数和访问模式等。

第七步： 标准设备检测完毕后，系统BIOS内部的支持即插即用的代码将开始检测和配置系统中安装的即插即用设备，每找到一个设备之后，系统BIOS都会在屏幕上显示出设备的名称和型号等信息，同时为该设备分配中断、DMA通道和I/O端口等资源。

第八步： 到这一步为止，所有硬件都已经检测配置完毕了，多数系统BIOS会重新清屏并在屏幕上方显示出一个表格，其中概略地列出了系统中安装的各种标准硬件设备，以及它们使用的资源和一些相关工作参数。

第九步： 接下来系统BIOS将更新ESCD（Extended System Configuration Data，扩展系统配置数据）。ESCD是系统BIOS用来与操作系统交换硬件配置信息的一种手段，这些数据被存放在CMOS（一小块特殊的RAM，由主板上的电池来供电）之中。通常ESCD数据只在系统硬件配置发生改变后才会更新，所以不是每次启动机器时我们都能够看到“Update ESCD… Success”这样的信息，不过，某些主板的系统BIOS在保存ESCD数据时使用了与Windows 9x不相同的数据格式，于是Windows 9x在它自己的启动过程中会把ESCD数据修改成自己的格式，但在下一次启动机器时，即使硬件配置没有发生改变，系统BIOS也会把ESCD的数据格式改回来，如此循环，将会导致在每次启动机器时，系统BIOS都要更新一遍ESCD，这就是为什么有些机器在每次启动时都会显示出相关信息的原因。

第十步： ESCD更新完毕后，系统BIOS的启动代码将进行它的最后一项工作，即根据用户指定的启动顺序从软盘、硬盘或光驱启动。以从C盘启动为例，系统BIOS将读取并执行硬盘上的主引导记录，主引导记录接着从分区表中找到第一个活动分区，然后读取并执行这个活动分区的分区引导记录，而分区引导记录将负责读取并执行IO.SYS，这是DOS和Windows 9x最基本的系统文件。Windows 9x的IO.SYS首先要初始化一些重要的系统数据，然后就显示出我们熟悉的蓝天白云，在这幅画面之下，Windows将继续进行DOS部分和GUI（图形用户界面）部分的引导和初始化工作。

如果系统之中安装有引导多种操作系统的工具软件，通常主引导记录将被替换成该软件的引导代码，这些代码将允许用户选择一种操作系统，然后读取并执行该操作系统的基本引导代码（DOS和Windows的基本引导代码就是分区引导记录）。

上面介绍的便是计算机在打开电源开关（或按Reset键）进行冷启动时所要完成的各种初始化工作，如果我们在DOS下按Ctrl＋Alt＋Del组合键（或从Windows中选择重新启动计算机）来进行热启动，那么POST过程将被跳过去，直接从第三步开始，另外第五步的检测CPU和内存测试也不会再进行。我们可以看到，无论是冷启动还是热启动，系统BIOS都一次又一次地重复进行着这些我们平时并不太注意的事情，然而正是这些单调的硬件检测步骤为我们能够正常使用电脑提供了基础。

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Windows启动过程介绍

相信不少人碰到过装了个什么东西之后，重启Windows就发现起不来了。所以，想把Windows启动过程中作了些什么事情，分哪些stages做个介绍。这里要介绍的是Windows 2k/xp/2k3系列的启动过程，nt系列么，很类似。虽然Windows是非开源的（废话！:o ），不过还是有不少资料可以参考的，还包括MS的那些public的symbol。如果有机会可以试试Kernel的live debug，那么相信还是能看到不少东西的。不过话说回来，这事情我也没做过…… 等回头自己机器上装好VMWare之类的，再Try吧，到时候会把过程记录下来贴到这里的。

Windows的启动过程么，主要包括以下几个部分：

1. Master Boot Record (MBR)

2. Boot sector

3. Ntldr （这个可能有人会觉得眼熟，是不是碰到过启动的时候说找不到Ntldr呢？;) ）

4. Ntoskrnl.exe

5. Smss

6. Winlogon

7. Service control manager (SCM)OK。

我将在这个帖子里依据上述的启动过程，对这些组件逐个介绍。当然，这里面大部分内容来自于《Inside Windows 2000》和《Windows Internals》这两本书的相应章节（Startup and shutdown）。我能做的事情基本上就是翻译和复述了，最多可能加上一些相关的注释。当然，如果看过关于linux启动过程源码（分析）的朋友，估计会不满足于下面介绍这么点内容，而且这里也基本不谈到硬件相关的部分（最多可能仅补充一些我知道的硬件相关内容），谁叫咱看不到源码呢。

 1. MBR & Boot Sector

物理硬盘是以扇区（sector）为单位来寻址的。Windows的安装程序会在安装的时候，将一些内容写入你安装系统的那个硬盘的第一个扇区。这块内容就称为Master Boot Record(MBR).

MBR包括两块内容：(1). Boot code;(2). Partition table;Boot code，也就是启动代码。这段代码是在系统启动的时候，BIOS完成了自检过程，选择了启动设备（也就是你某个硬盘），然后就将该磁盘的MBR读入内存，并且跳转到MBR所在地址，从而执行其Boot code.Partition table，也就是分区表。该表只有4项（entry），因为MS的OS允许一个磁盘最多被分为4个主分区（primary partition）。这里的分区表里面的内容就是这4个分区的相关信息，包括其起始的sector，相应的标志等等。对于启动过程而言，MBR的boot code会搜寻这个分区表，在其中查找带有可启动标志（也称为Active）的分区，然后将该分区的第一个sector（也就是Boot sector）读入，并且执行其中的代码。

在安装程序写入Boot sector之前，需要获知其所在分区的文件系统类型（FAT? FAT32? NTFS?），然后写入不同的Boot sector。为什么对于不同的文件系统需要不同的Boot sector呢？原因在于Boot sector的任务，就是要载入OS的系统启动文件，而载入文件的过程，是需要文件系统参与的，所以对应于不同的文件系统，在Boot sector里面就需要不同的文件系统支持代码，以次来完成系统文件的加载。对于Windows启动而言，需要加载的文件为Ntldr。

需要补充的是，boot sector里面对于文件系统的支持代码是“最小化”了的。毕竟boot sector的大小最多也就只有512 bytes，要带有完整的文件系统是不大可能的。而且，我们的需求也很简单，只需要它能够理解该文件系统，并且能够读取其中的文件就可以了，我们并没有写入文件的需求。Boot sector将Ntldr加载完成之后，就跳转到Ntldr的入口处，接下去的任务，就交给Ntldr了。这时候，系统还是运行在16位的实模式下，Ntldr会开启Paging，并转入32为保护模式。

这个过程中，可能碰到的错误信息是下面这个：对于NTFS文件系统，"BOOT: Couldn't find NTLDRP"；对于FAT文件系统，"NTLDR is missing"；这个错误的意思是Boot sector在分区的根目录下没有找到Ntldr。 

2. NTLDR

NTLDR是一个“中间人”，在Boot Sector转入NTLDR的时候，系统处于实模式下，这时候程序访问的任何地址都是实地址，也就是物理地址（虽然这其中还有80x86最基本的分段功能，学过这个实模式汇编的应该知道），并且，这个地址范围也受限在1M（20位地址）以内。所以，进入NTLDR后最先要做的事情就是转入保护模式，以便于能够完全访问32位地址范围。不过，由于此时没有设置好相应的页表，所以，还不能进行虚实地址转换（也就是还没有分页的功能）。

NTLDR需要初始化一定的页表，然后开启分页。这时候，系统已经进入了Windows的标准状态（保护模式+分页）。前面说到转入保护模式的时候，漏说了一个事情，就是初始化GDT和IDT。这里面，关键的是Windows使用的是Flat Memory Mode，也就是其保护模式下，所有段的基地址都一样。这点和其内存管理的机制息息相关，这边就先提一下。虽然系统已经进入了保护模式，不过，此时的NTLDR还需要依赖一些BIOS调用，来访问磁盘以及显示系统。如果磁盘是SCSI的，而BIOS调用无法访问此类磁盘，那么NTLDR就加载Ntbootdd.sys来替代boot code中的磁盘访问代码。NTLDR和Boot Sector类似，也包含了NTFS和FAT文件系统的只读代码，区别么，其稍有进步，就是能访问子目录了。

由于从Windows2000开始，都有了“休眠”（Hibernation）这种关机方式。于是，NTLDR需要检查系统上是否存在有效的 Hiberfil.sys文件，如果有，那么表明最近一次关机是以“休眠”的方式关机的。于是，NTLDR就开始走“捷径”：读入 Hiberfil.sys文件，然后直接跳转到内核中“唤醒休眠”的代码，从而启动计算机。正常启动的情况下，NTLDR读入boot.ini文件。如果该文件表明有多个可启动选项，于是就显示启动菜单，供用户选择。这里又有一个可能的例外，虽然现在这个可能性已经很小了。这个例外就是有DOS的启动选项（包括Win9x和ME系列）。这个情况下，NTLDR加载 Bootsect.dos文件，转回实模式，并且跳转到该文件中的MBR代码。这时候，就和最开始启动的状态（读入MBR）一样了，从而启动相应的OS。在用户选择了启动菜单后，NTLDR还要根据该项的参数做一些相应的操作。对于这些参数么，这里就不作说明和解释了。

然后我们继续往下走...NTLDR加载并执行Ntdetect.com。该程序是一个16位保护模式的程序，通过BIOS调用，获取系统硬件的信息（比如总线类型啊，系统时间啊，磁盘驱动器啊，并口串口啊等等），然后将这些信息集中起来，返回给NTLDR，并且这些信息在启动的后期会保存到注册标的HKLM/HARDWARE /DESCRIPTION下。貌似上面的这些工作都是在后台做的，除了那个可能出现的启动菜单外，其他工作都是用户看不到的。嗯，接下来，就该给用户一些反馈信息了。NTLDR先清屏，然后显示“Starting Windows”和进度条。这里，2000和XP/2003有所不同。2000会显示黑白屏的进度条，这时候屏幕上还没有Windows的logo。而 XP/2003会显示带有Windows logo的彩屏进度条（哈哈，啥都流行彩屏啊）。需要注意的是，NTLDR在开始加载任何“启动驱动”（boot driver）之前，进度条一直是空的。还有大家可能注意到过的，就是在显示“Starting Windows”的时候，下面还会显示“For troubleshooting and advanced startup options for Windows, press F8.”，然后进度条出现并开始滚动（前进）的时候，就没有机会按F8来进入安全模式之类的了。其实想象，这里面还是有原因的。因为在系统开始加载驱动之前，主要做的事情只是加载内核文件和注册表的System hive。这两个事情和安全模式之类的其他启动方式没有关系，无论是安全模式还是标准启动，都需要加载这两部分东西。而安全模式和标准模式的区别，在于其加载的驱动有所不同。所以，一旦Windows开始加载那些boot driver之后，就无法在改变模式了。在NTLDR从显示“Starting Windows”开始，需要经过以下步骤：

1. 加载正确的内核以及HAL（默认为Ntoskrnl.exe和Hal.dll）。如果NTLDR在加载这两个文件的过程中出错，无法完成加载，那么会显示下面这条出错信息：Windows could not start because the following file was missing or corrupt，并且会告诉你无法加载的文件名。

2. 从/Windows/System32/Config/System读入System hive。注：hive是指一个包含了注册表中某个子树的文件。

3. 在System hive中找出所有的boot driver（这类driver的start值为0，即SERVICE_BOOT_START）。系统的所有driver都在注册表的HKLM/ SYSTEM/CurrentControlSet/Services下面有对应的子键（subkey）。

4. 加载boot drivers所在分区的文件系统驱动，以便于之后的boot driver的加载。

5. 加载boot drivers。这时候，才会开始更新屏幕上的进度条。对于Windows 2000来说，就是那个黑白进度条。

6. 设置CPU寄存器，并且跳转到Ntoskrnl.exe的入口。好啦，NTLDR的任务总算完成了，接下去就全部交给Ntoskrnl了。当然，在转交控制权的时候，自然也将对方需要的信息（包括内存布局，硬件信息，System hive等）也都交给Ntoskrnl，这样，NTLDR才完成了它的使命。