计算机是如何启动的？

来源：互联网发布：淘宝卖家版注册编辑：程序博客网时间：2024/05/01 07:57

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，它来自一句谚语：

　　"pull oneself up by one's bootstraps"

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）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1-446字节：调用操作系统的机器码。
　　（2）第447-510字节：分区表（Partition table）。
　　（3）第511-512字节：主引导记录签名（0x55和0xAA）。

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：

　　（1）第1个字节：如果为0x80，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9-12字节：该主分区第一个扇区的逻辑地址。
　　（6）第13-16字节：主分区的扇区总数。

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。

1 Linux开机流程

1.1 总体流程

加载BIOS的硬件信息并进行自我检测，取得设定的第一个开机设备
读取并执行第一个开机设备内的MBR的Boot Loader
根据Boot Loader的设定加载内核(Kernel)，内核会开始检测硬件，加载驱动程序
硬件驱动成功后，内核会调用init程序，init程序取得run level信息
init 执行 /etc/rc.d/rc.sysinit 文件来准备软件的作业环境（如网络，时区等)
init 执行 run level 的各个服务的启动（通过shell script的方式)
init 执行终端仿真程序启动login程序，等待用户登录

1.2 详细过程

BIOS,Boot Loader与内核载入开机后系统首先加载BIOS(Basic Input Output System),并通过BIOS程序加载CMOS信息，由CMOS取得主机的各项硬件配置，如CPU与各个设备沟通频率，开机装置搜索顺序，硬盘大小与类型等。BIOS会指定开机装置，好从中读取操作系统内核，由于各个操作系统文件系统格式不同，因此需要一个开机管理程序处理内核加载，这个开机管理程序就是Boot Loader。这个Boot Loader位于开机装置的第一个扇区内，即MBR(Master Boot Record,主引导记录)。
Boot Loader作用每个文件系统都会保留一块启动扇区（Boot sector）给操作系统，用于安装Boot Loader，通常操作系统都会安装一份Boot Loader到其根目录所在文件系统的Boot sector下。Linux安装时可以选择是否将Boot Loader安装到MBR上，如果安装了，那么MBR和Boot sector上都会保留一份Boot Loader。Windows安装时没有选择，会在MBR和Boot sector上都会安装Boot Loader。系统只有一个MBR,所以安装多系统时，可能会被覆盖。
Boot Loader的作用在于
- 提供菜单选择要载入的操作系统
- 载入内核,直接启动操作系统
- 转交其它Boot Loader
Windows的Boot Loader没有转交其它Boot Loader的能力，不能启动Linux所以安装Windows/Linux双系统时要先安装Windows, 再安装Linux，这样可以用Linux的Boot Loader覆盖Windows的Boot Loader。
注：鸟哥在写此文章时Windows无此能力，现在的Windows 7已经可以了,我安装的双系统就是MBR上装有Windows 的Boot Loader,提供两个菜单，一个是启动Windows,另一个是转交Linux的Boot Loader,选入Linux后，就会进入 Linux的Boot Loader,这时会进入Grub，再次提供选择菜单。
加载内核由Boot Loader开始读取内核后，Linux会将内核解压到内存中，此后内核会检测硬件信息，从BIOS手中接过系统管理的功能。内核文件在/boot/linuz-xxx/下。另外，Linux内核是可以动态加载内核模块的，这些模块位于 /lib/modules/下。 SATA磁盘的驱动程序就是放在/lib/modules/下，这就有个两难问题，Linux要加载SATA的驱动才能识别磁盘，而要加载SATA的驱动必须到/lib/modules下才行，可是此时还没有识别磁盘，如何进入/lib/modules呢？Linux使用虚拟文件系统解决这个问题。虚拟文件系统使用文件/boot/initrd,它可以被Boot Loader加载到内存中，并且仿真一个根目录，这个仿真的文件系统提供一个程序加载必要的驱动,如USB,SATA,RAID,LVM等。此后内核就会释放虚拟文件系统，挂载真正的根目录。
第一个程序init 内核加载完成后，就会执行第一个程序/sbin/init。由命令ps aux | grep init,可以知道其PID为1。 init的配置文件位于/etc/inittab。注：Ubuntu中启动由upstart控制，自9.10后不再使用/etc/event.d目录的配置文件，改为/etc/init。关于Ubuntu的启动，参见：http://wiki.ubuntu.org.cn/%E5%90%AF%E5%8A%A8。 Linux启动过程，有一个非常重要的概念：runlevel。Linux由runlevel决定启动过程使用的不同服务。下面即是Ubuntu中各个runlevel的含义。
```
0        系统停机状态1        单用户或系统维护状态2~5      多用户状态6        重新启动 
```
用户自定义开机启动程序可以将要执行的命令写入/etc/init.d/rc.local文件。

另外，有一篇开机过程的文章最近被广泛转载,可以参阅一下：http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html

2 内核与内核模块

目前的内核都有“可读取模块化驱动程序”的功能，如果一个新的硬件，操盘系统不支持，可以：

加入此硬件驱动源代码，重新编译内核。
将此硬件驱动源代码编译成模块，在开机时加载此模块。

核心模块位于/lib/modules/$(uname -r)/kernel/目录中。模块之间信赖关系记录在/lib/modules/$(uname -r)/modules.dep。使用depmod命令可以建立此文件。使用lsmod命令可以列出已经加载的模块。

$ lsmod | headModule                  Size  Used byip6table_filter        12711  0 ip6_tables             18432  1 ip6table_filterebtable_nat            12695  0 ebtables               21508  1 ebtable_natipt_MASQUERADE         12663  3 iptable_nat            13016  1 nf_nat                 24959  2 ipt_MASQUERADE,iptable_natnf_conntrack_ipv4      19084  4 iptable_nat,nf_natnf_defrag_ipv4         12649  1 nf_conntrack_ipv4

使用modinfo可以获取模块的描述信息

$ modinfo ip6_tables filename:       /lib/modules/3.2.0-37-generic-pae/kernel/net/ipv6/netfilter/ip6_tables.kodescription:    IPv6 packet filterauthor:         Netfilter Core Team <coreteam@netfilter.org>license:        GPLsrcversion:     6F5DC4CD82D294A10583CD9depends:        x_tablesintree:         Yvermagic:       3.2.0-37-generic-pae SMP mod_unload modversions 686

模块加载可以使用modprobe 或者 insmod,前者会分析模块之间信赖关系，推荐用前者模块移除可以使用modprobe -r 或者 rmmod

3 Boot Loader: Grub

Boot Loader 两阶段由于MBR很小，Boot Loader分两个阶段
- Boot Loader主程序，放在MBR中，不含配置文件
- 加载配置文件，这些文件位于/boot/下，如grub的相关配置在/boot/grub中，直接与grub有关的是 /boot/grub/grub.cfg