计算机如何启动(How Computers Boot Up)

原文地址：计算机如何启动(How Computers Boot Up) 作者：itisthinktime

How Comuputers Boot Up

计算机如何引导启动

前面的博文介绍了Intel计算机的底板芯片组与内存映射，为理解计算机引导初始过程打下了基础。引导是一个复杂的、多阶段的、有趣的“东西”。下面是这个过程的简图（outline）：

An outline of the boot sequence

当你按下计算机上的电源键时，事情已经开始启动。在加电之后（powered up），底板首先初始化自身固件（firmware）----芯片组与其它小部件（tidbits）---并试图运行CPU。如果此时运行CPU失败（例如，没有发现CPU或者CPU损坏），那么该计算机除了转动的风扇之外，一无所用。在发现CPU损坏或者缺失的情况下，一些底板会发出蜂鸣报警声，但我最常遇见的情况是只有“旋转风扇的僵尸电脑”。有时USB或者其它设备也会导致此类情况发生：对于之前一直运行良好，而突然出现上述死机状态的计算机，你可以拔掉所有非关键设备，这很可能解决死机问题，然后排除出导致该问题的设备。

如果一切正常，CPU便开始运行。在多处理器(multi-processor)或多核（multi-core）系统中，会动态地选择一个CPU作为引导处理器（BSP:BootTrap Processor），它负责运行所有的BIOS以及内核初始化代码（kernel initialization code）。此时，其它的被称作应用处理器（application processor ：AP）的CPU仍处于终止状态（halted），直到内核显示地激活它们。Intel CPU已经演化了很多年，但它们是完全后向兼容的（fully backwards compatible）。因而，现代的CPU同最初的1873年的Intel 8086CPU的启动行为非常相似：在加电之后执行相同的动作。在这种原始的加电状态下（primitive power up state），CPU处于实模式（real mode），此时内存映射是禁用的（memory paging disabled），这同古老的MS-DOS时代类似。DOS系统仅能寻址1M字节内存，并且任何代码可以写入内存的任何位置---即不存在保护（protection）或特权（privilege）的概念。

加电之后，CPU内部的寄存器均具有定义好的值（well-defined values），包括指令指针（EPI:instruction pointer），它用于保存CPU将要执行指令的内存地址。Intel CPU加电后仅能够寻址1M内存空间，同时，一个隐含的基址（hidden base address）将应用于EIP，因而，CPU执行的第一条指令位于地址：0xFFFFFFF0。这个魔幻地址被称作重启向量（reset vector），也是现代Intel CPU的标准规格。

底板（motherboard）保证位于重启向量的指令（jump）跳转到映射了BIOS入口的内存地址。跳转指令隐含地（implicitly）清除加电时的隐含基址（hidden base address）。多亏了芯片组（chipsets）保存的内存映射（memory map），使得所有内存地址存储着CPU所需要的正确内容。这些内存映射到包含BIOS的flash 内存（flash memory），而此时的RAM模块里面还是一些乱七八糟的东西。相关的内存区域在下图中展示：

                             

Important memory regions during boot

接下来CPU开始执行BIOS代码，该代码初始化计算机上的一些硬件。然后BIOS进行开机自检（Power-on Self Test）：检查计算机系统上的各种组件（various components）。缺少可工作的视频卡（working video card）将导致POST失败并终止BIOS，同时发出蜂鸣声告知问题所在，因为此时的视频卡无法工作，所以无法在屏幕上给出一条提示信息。运行中的视频卡将我们带入到了计算机看起来依旧存活的阶段：输出生产商标志，检开始测试内存等等。如果POST失败，例如缺少键盘，将在屏幕输出一条错误信息并终止运行。POST涉及到测试与初始化，包括识别（sorting out）所有资源：中断（interrupts）、内存范围（memory ranges），IO端口（IO Port）--对PCI设备。现代的BIOS采用“高级配置与电源接口（Advanced Configuration and Power Interface）”的形式，通过构建（build）一些数据表（data tables）来描述计算机上的设备。这些表格在后续为内核所用。

POST之后，BIOS想启动操作系统，而这个操作系统必须在硬盘（hard drives），CD-ROM或者软盘（floppy disk）等上找到。BIOS搜寻启动设备的顺序是由用户配置的。如果没有合适的启动设备，BIOS将终止并给出提示“Non-System Disk or Disk Error.”。一个损坏的硬盘驱动也会导致这种提示。但愿此类情况不再发生，并且BIOS找到可启动的工作磁盘。

BIOS读取硬盘的第一个512字节扇区（sector）（扇区零）。该扇区被称为主引导记录（MBR: Master Boot Record ），它包括两个关键部件（vital components）：一个微小的特定操作系统相关的引导程序（OS-specific bootstrapping program），该引导程序位于MBR的开始，其后是磁盘的分区表。BIOS并不关心这些：它将MBR中的内容加载到内存0x7c00处，然后跳转到该位置并执行MBR中的任何代码。

 

Master Boot Record

MBR中的特定代码可以是Windows MBR加载器（loader），也可以是像LILO或GRUB之类的Linux加载器，甚至是病毒。分区表（partition table）是标准化的：它是一个64字节的区域，该区域由四条长度为16字节的记录构成，分别用于描述磁盘如何分区（因而你可以运行多操作系统，或者在同样的磁盘拥有单独的卷（separate volumes））。传统上，Microsoft MBR代码主要是查看分区表，找到唯一的活跃分区，并加载该分区对应的启动扇区，然后运行启动扇区上的代码。启动扇区（boot sector ）是分区表（partition）的第一个扇区，这与磁盘的第一个扇区相对（as opposed to）。如果分区表发生错误，那么将会得到类似“Invalid Partition Table” 或者 “Missing Operating System.”的提示信息。这条信息并非来自于BIOS，而是来自于从磁盘加载的MBR代码。因而具体信息依赖于MBR。

引导加载过程已经变得非常复杂与灵活（sophisticated and flexible）。Linux的引导加载器LILO和GRUB可以处理各式各样的操作系统、文件系统与引导配置（boot configuration）。主引导记录（MBR）代码不必按照上述“启动活跃分区（boot the active partition）”的方式组织。但从功能上而言，其过程如下：

1.    MBR本身包含了引导加载器（bootloader）的第一阶段。GRUB将之称为阶段1。

2.    由于本身尺寸较小，MBR中的代码仅仅能够从包含了额外自举代码（bootstrap code）的磁盘上加载另一块扇区。该扇区可能是一个分区（partition）的引导扇区（boot sector），也可能是在安装MBR时，通过硬编码（hard-coded）写入了MBR代码的扇区。

3.    之后，MBR代码加上第二步加载的代码读取一个包含bootloader第二阶段的文件。在GRUB中称作GRUB Stage 2。在windows下为：C:\NTLDR。如果在windows下步骤2失败，那么你将得到类似“NTLDR is missing”的信息。然后，阶段二读取启动配置文件（例如，GRUB下的grub.conf，或windows下的boot.ini）。然后向用户展现启动选择，或者启动一个单一系统。

4.    此时bootloader需要启动内核。它必须对文件系统足够的清楚，以便从启动分区（boot partition）读取内核。在Linux下，这意味着读取一个包含了内核的、类似于“vmlinuz-2.6.22-14-server”的文件，将该文件加载如内存，并跳转到内核自举代码。在Windows server 2003，一些内核启动代码已经从内核映像（kernel image）中分离，并通常嵌入在NTLDR之中。在进行一些初始化操作之后，NTDLR从c:\Windows\System32\ntoskrnl.exe加载内核映像，并入GRUB所做的一样，跳入内核入口记录。

这里有一个值得一提的并发症（complication）（也就是说，我告诉你这就是hacky）。当前linux内核镜像，即使是压缩过的，也无法在实模式下装入有限的640KB大小的RAM之中。我的vanilla Ubuntu内核压缩之后是1.7M。然而鉴于此时的内核仍然不可用，bootloader必须运行在实模式下，这样才可以调用BIOS程序（BIOS routines）读取磁盘。解决方案就是久负盛名的虚拟模式（unreal mode）。这不是一个真正的处理器模式（希望Intel的工程师喜欢），而是一种技术，它允许计算机在实模式与保护模式（protected mode）之间来回切换以访问1M之上的内存，同时又可用BIOS提供的程序。如果你阅读了GRUB的源代码，你将会发现随处可见的这种转换（see these transitions all over the place）（查看stage2调用的real_to_prot 和prot_to_real）。在这个复杂过程的最后，bootloader不择手段地将内核加载到内存，它使得内核在实模式下被加载到内存之中。

现在，我们位于第一个图表中所示的从“引导加载器boot loader”跳转到“早期内核初始化”阶段。这也是内核开始投入运转的时机。下面的博文将结合Linux Cross Reference介绍Linux内核的初始化过程。我无法对windows做出同样的事情，但是列出了相应的重点（highlight）