计算机是怎么启动起来的?

一个非常复杂的过程
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从打开电源到开始操作,计算机的启动是一个非常复杂的过程。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。

1. 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。

2. 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“基本输入输出系统”(Basic Input/Output System),简称为BIOS。

2.1 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。

2.2 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”。

3. 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)。

3.1 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。

3.2 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。

4. 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。

4.1 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。

4.2 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。

4.3 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。

5. 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。

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