操作系统的启动过程


插个题外话,开机启动的英文是boot,boot 是靴子的意思,为什么启动叫boot呢。boot是bootstrap(鞋带)的缩写,它来自一句谚语:

"pull oneself up by one's bootstraps"
"拽着鞋带把自己拉起来",这件事情就相当的矛盾了。 工程师用它来比喻,开机启动是一个很矛盾的过程,既要先运行程序,然后计算机才启动,但是不运行计算机就没法运行程序!

阶段一:基本输入/输出系统 BIOS

Basic I/o System(Firmware,固件)

  • 基本输入/输出系统
    位置:F0000-FFFFF

功能

  • 系统启动配置
  • 基本的设备I/O服务
  • 系统的加电自检和启动(POST)

加电自检(POST)

BIOS首先检查,计算机的硬件能否满足运行的情况,这叫“加电自检”(Power-On Self-Test, POST)。
如果出现问题,主板会发出不同的蜂鸣。
如果没有检查出问题,则会初始化基本硬件,cpu,内存,显卡等。

POST之后···

BIOS将控制权转移到下一个启动程序,下一个启动程序在哪儿呢?BIOS有一个外部存储的设备的排序,排在前面的设备具有更高的优先权。这种排序叫“启动顺序”
打开BIOS,其中有一项就是设定“启动顺序”

默认情况下,按照如下顺序执行:

  1. 查找显卡BIOS,调用显卡BIOS;
  2. 依次查找其它设备执行相应设备的BIOS;
  3. 显示启动画面: BIOS信息||芯片组型号Al主板信息|
  4. 从硬盘/软盘/光驱/U盘读入OS
  5. 启动后,由OS接管计算机

阶段二:主启动记录MBR

BIOS按照“启动顺序”,把控制权转交给优先级排在第一位的存储设备。
计算机读取设备的第一个扇区,即最前面的512字节,如果最后两个字节是0x55、0xAA,则表明该设备可以用来启动,否则控制权转移到下一个设备。
这512字节的区域,就叫做主启动记录(Master boot record, MBR)

MBR

  • 存放在硬盘软盘的首扇区
  • 存放和OS启动的相关信息(Main Boot Record)
  • 大小:512BYTES
  • 结束位置:0x55、0xAA

主引导记录结构

MBR的空间太小了,存不了什么东西,它的主要作用是告诉计算机去硬盘的哪个位置找操作系统。类似一张索引表,告诉你操作系统在哪里。
MBR由三个部分组成:

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

分区

分区可以将磁盘分成多个区域,每个区可以安装不同的操作系统,所以MBR必须知道将控制权转移给哪一个分区。得到控制权的分区称为“活动分区”(active partition)
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"。共四个主分区。

阶段三:磁盘分区

这个时候,控制权到了某个分区的手里。这里有三种情况加载操作系统。

情况A:卷引导记录

四个分区里面只有一个会被激活,即活动分区,接着,计算机会激活活动分区的扇区,称为“卷引导记录”(Volume boot record, VBR)
VBR告诉计算机操作系统的位置,计算机直接根据相应的位置加载出操作系统

情况B:拓展分区和逻辑分区

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)。
拓展分区里面有可以分成多个分区,这里面的分区叫“逻辑分区”(logical partition)。

计算机先读取拓展分区的第一个扇区,叫做"扩展引导记录"(Extended boot record,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,自己本身和下一个逻辑分区的位置)。

接着, 计算机加载第二个逻辑分区的第一个扇区,再从里面的分区表找到第三个逻辑分区的位置,以此类推,知道某个逻辑分区的分区表只包含自己本身为止。这个过程可以用链表来表示。

情况C:启动管理器

MBR读取完机器码之后,不直接把控制权转移给某一个分区,而是运行事先安装的启动管理器(boot loader),由用户自己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。

阶段四:操作系统

计算机定位到操作系统后,先加载操作系统的内核,根据操作系统自己的加载过程完成全部的启动过程。

linux

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。

参考:

  1. 计算机是如何启动的?
  2. Linux开机启动流程详细步骤是什么
原文地址:https://www.cnblogs.com/hichens/p/12526312.html