计算机是如何启动的

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。



补充：
bios不一定存在，bios只是提供了一个固定的方式，去访问其他输入输出设备，存在的目的是可以将硬件的变化简化，这样内核就可以通过和固定的bios通信来获取基本的硬件地址信息，然后再获得更充分的硬件地址信息。没有bios的计算机，就没有这么一个固定的方式，随着硬件的改变，就要静态的改变内核内部设备的入口地址，然后重新编译。可以这么说bios是使得现在操作系统变得通用的一个利器。比如现在不同的arm手机的内核不能随便换着用，而有bios的计算机内核即使硬件不那么一样，却可以用同样的内核。还比如现在很多时候都会将硬件地址的map独立于内核写到一个单独的文件中，内核载入的时候会从这些文件中读取硬件的入口地址。
从上电开始，处理器的指令计数器会被初始化成一个值(这个值不一定是0x0000H，因为一般还会在前面放中断向量表)，然后从这个地址开始执行程序。这些程序有可能放到片内的flash，有可能放到片外的flash，或是RAM里面。由于RAM是掉电易失的，所以可能需要先从其他存储设备中载入内存然后再从内存中调入片内进行运算。


从逻辑和原理上来分析，BIOS是为了适应不同的操作系统。如论是DOS，Windows还是UNIX都可以通过读取 BIOS 中硬盘、软盘、键盘、显示器、日期等实现外部I/O调用，以用于实现某种计算机平台的应用。如果只是为了专用的操作系统，没BIOS也照样可以工作。就是通过 reset vector 复位矢量，一个绝对跳转去执行相应的程序。


补充几点内存地址的东西：
1.计算机开机时，CPU默认执行0ffffh:0000h处的指令（8086是这样，386应该类似），而此内存地址应该存放的就是bios rom
2.bios执行玩post等后，将引导设备的mbr复制到内存地址07c00h处，跳转执行此处指令，这个地址应该是规定的
3.现在一般引导设备中的mbr是grub或lilo这样的引导程序，这样的程序首先将自己复制到06c00h处执行，在主分区表中搜索活动分区，将用户选择的活动分区的第一个扇区读入到07c00h处，调转到07c00h处执行
注：以上均在实模式中执行，还未进入保护模式
4.为加载内核做准备，并将控制权交给kernel，系统启动成功
注：这一步进入保护模式
当然这是现在一般的启动流程，当然如果自己写os，可以直接在引导设备的mbr中写直接加载内核的代码，将编译的代码dd入引导设备的mbr中即可。


对于通过计算机系统的运行情况大致如下
首先源代码经过编译器变成可执行程序，可执行程序经过加载器加载到操作系统中，作为操作系统的一个进程运行，可执行程序可以理解为一条条可以被计算机CPU识别的机器码，然后CPU运行，至于CPU为什么可以运行，就需要知道数字电路中的知识，诸如加法电路，译码电路等逻辑电路知识，关于内存和CPU中的内部寄存器就需要了解数字电路中的时序电路，时序电路具备加电记忆的特点，用来实现寄存器。
数字电路研究的是0101这种高低电平之间转换和输入输出的规律。
至于数字电路的基础就要是模拟电路了，二极管三极管等等。大量的三极管构成了一个基本的数字电路单元，例如能够存储一位二进制数的寄存器。
而模拟电路研究的是大量电子在加压后的宏观运动规律，这种宏观体现到数字电路上就是01的高低电平。

每个分区都有它的起始扇区/逻辑块和终止扇区/逻辑块，他的表示长度只有32位（4字节）。如果一个扇区大小是512B，那么2^32 * 512B = 2TB
另外，文中有错误的地方，逻辑分区并不能增加硬盘的寻址范围，所以也不能增加硬盘的最大使用空间。逻辑分区就像他的名字一样，只是将增加了硬盘的可用的分区数量。如果没有逻辑分区，由于MBR分区表的空间限制，最多只能有4个分区。


http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html