計算機是怎么啟動起來的?

一個非常復雜的過程
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從打開電源到開始操作,計算機的啟動是一個非常復雜的過程。我一直搞不清楚,這個過程到底是怎么回事,只看見屏幕快速滾動各種提示...... 這幾天,我查了一些資料,試圖搞懂它。下面就是我整理的筆記。

1. boot的含義

先問一個問題,“啟動”用英語怎么說?

回答是boot。可是,boot原來的意思是靴子,“啟動”與靴子有什么關系呢? 原來,這里的boot是bootstrap(鞋帶)的縮寫,它來自一句諺語:

"pull oneself up by one's bootstraps"

字面意思是“拽著鞋帶把自己拉起來”,這當然是不可能的事情。最早的時候,工程師們用它來比喻,計算機啟動是一個很矛盾的過程:必須先運行程序,然后計算機才能啟動,但是計算機不啟動就無法運行程序!

早期真的是這樣,必須想盡各種辦法,把一小段程序裝進內存,然后計算機才能正常運行。所以,工程師們把這個過程叫做“拉鞋帶”,久而久之就簡稱為boot了。

計算機的整個啟動過程分成四個階段。

2. 第一階段:BIOS

上個世紀70年代初,“只讀內存”(read-only memory,縮寫為ROM)發明,開機程序被刷入ROM芯片,計算機通電后,第一件事就是讀取它。

這塊芯片里的程序叫做“基本輸入輸出系統”(Basic Input/Output System),簡稱為BIOS。

2.1 硬件自檢

BIOS程序首先檢查,計算機硬件能否滿足運行的基本條件,這叫做“硬件自檢”(Power-On Self-Test),縮寫為POST。

如果硬件出現問題,主板會發出不同含義的蜂鳴,啟動中止。如果沒有問題,屏幕就會顯示出CPU、內存、硬盤等信息。

2.2 啟動順序

硬件自檢完成后,BIOS把控制權轉交給下一階段的啟動程序。

這時,BIOS需要知道,“下一階段的啟動程序”具體存放在哪一個設備。也就是說,BIOS需要有一個外部儲存設備的排序,排在前面的設備就是優先轉交控制權的設備。這種排序叫做“啟動順序”(Boot Sequence)。

打開BIOS的操作界面,里面有一項就是“設定啟動順序”。

3. 第二階段:主引導記錄

BIOS按照“啟動順序”,把控制權轉交給排在第一位的儲存設備。

這時,計算機讀取該設備的第一個扇區,也就是讀取最前面的512個字節。如果這512個字節的最后兩個字節是0x55和0xAA,表明這個設備可以用于啟動;如果不是,表明設備不能用于啟動,控制權于是被轉交給“啟動順序”中的下一個設備。

這最前面的512個字節,就叫做“主引導記錄”(Master boot record,縮寫為MBR)。

3.1 主引導記錄的結構

“主引導記錄”只有512個字節,放不了太多東西。它的主要作用是,告訴計算機到硬盤的哪一個位置去找操作系統。

主引導記錄由三個部分組成:

  1. 第1-446字節:調用操作系統的機器碼。
  2. 第447-510字節:分區表(Partition table)。
  3. 第511-512字節:主引導記錄簽名(0x55和0xAA)。

其中,第二部分“分區表”的作用,是將硬盤分成若干個區。

3.2 分區表

硬盤分區有很多好處。考慮到每個區可以安裝不同的操作系統,“主引導記錄”因此必須知道將控制權轉交給哪個區。

分區表的長度只有64個字節,里面又分成四項,每項16個字節。所以,一個硬盤最多只能分四個一級分區,又叫做“主分區”。

每個主分區的16個字節,由6個部分組成:

  1. 第1個字節:如果為0x80,就表示該主分區是激活分區,控制權要轉交給這個分區。四個主分區里面只能有一個是激活的。
  2. 第2-4個字節:主分區第一個扇區的物理位置(柱面、磁頭、扇區號等等)。
  3. 第5個字節:主分區類型。
  4. 第6-8個字節:主分區最后一個扇區的物理位置。
  5. 第9-12字節:該主分區第一個扇區的邏輯地址。
  6. 第13-16字節:主分區的扇區總數。

最后的四個字節(“主分區的扇區總數”),決定了這個主分區的長度。也就是說,一個主分區的扇區總數最多不超過2的32次方。

如果每個扇區為512個字節,就意味著單個分區最大不超過2TB。再考慮到扇區的邏輯地址也是32位,所以單個硬盤可利用的空間最大也不超過2TB。如果想使用更大的硬盤,只有2個方法:一是提高每個扇區的字節數,二是增加扇區總數。

4. 第三階段:硬盤啟動

這時,計算機的控制權就要轉交給硬盤的某個分區了,這里又分成三種情況。

4.1 情況A:卷引導記錄

上一節提到,四個主分區里面,只有一個是激活的。計算機會讀取激活分區的第一個扇區,叫做“卷引導記錄”(Volume boot record,縮寫為VBR)。

“卷引導記錄”的主要作用是,告訴計算機,操作系統在這個分區里的位置。然后,計算機就會加載操作系統了。

4.2 情況B:擴展分區和邏輯分區

隨著硬盤越來越大,四個主分區已經不夠了,需要更多的分區。但是,分區表只有四項,因此規定有且僅有一個區可以被定義成“擴展分區”(Extended partition)。

所謂“擴展分區”,就是指這個區里面又分成多個區。這種分區里面的分區,就叫做“邏輯分區”(logical partition)。

計算機先讀取擴展分區的第一個扇區,叫做“擴展引導記錄”(Extended boot record,縮寫為EBR)。它里面也包含一張64字節的分區表,但是最多只有兩項(也就是兩個邏輯分區)。

計算機接著讀取第二個邏輯分區的第一個扇區,再從里面的分區表中找到第三個邏輯分區的位置,以此類推,直到某個邏輯分區的分區表只包含它自身為止(即只有一個分區項)。因此,擴展分區可以包含無數個邏輯分區。

但是,似乎很少通過這種方式啟動操作系統。如果操作系統確實安裝在擴展分區,一般采用下一種方式啟動。

4.3 情況C:啟動管理器

在這種情況下,計算機讀取“主引導記錄”前面446字節的機器碼之后,不再把控制權轉交給某一個分區,而是運行事先安裝的“啟動管理器”(boot loader),由用戶選擇啟動哪一個操作系統。

Linux環境中,目前最流行的啟動管理器是Grub。

5. 第四階段:操作系統

控制權轉交給操作系統后,操作系統的內核首先被載入內存。

以Linux系統為例,先載入/boot目錄下面的kernel。內核加載成功后,第一個運行的程序是/sbin/init。它根據配置文件(Debian系統是/etc/initab)產生init進程。這是Linux啟動后的第一個進程,pid進程編號為1,其他進程都是它的后代。

然后,init線程加載系統的各個模塊,比如窗口程序和網絡程序,直至執行/bin/login程序,跳出登錄界面,等待用戶輸入用戶名和密碼。

至此,全部啟動過程完成。

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