计算机启动的基本过程详解

对于一台安装了Linux系统的主机来说，当用户按下开机按钮之后一共经历4个过程。

按下电源——》BIOS自检——》系统引导lilo/grub——》启动内核

其中，对每个过程都执行了自己该做的初始化部分，有些过程又可分为好几个子过程。

按下电源，其实更科学的称呼是上电，因为有些嵌入式系统是通过波动电源开关来上电的，没有按下的按钮。任何Linux系统启动必然是从上电开始的。上电后CPU的RESET引脚会由特殊的硬件电路产生一个逻辑值，这就是CPU的复位，此时CPU唤醒了，CPU将在0ffffffff0处执行一条长跳转指令，直接跳到固化在ROM中的启动代码处（这个启动代码叫做BIOS），并开始执行BIOS代码。

20世纪70年代初，“只读内存”（Read-Only Memory，ROM）发明后，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。如图所示就是一个BIOS芯片。

这块芯片里面放着BIOS代码。有计算机基础的人都应该听过BIOS（Basic Input /Output System），又称基础输入输出系统，可以视为一个永久地记录在ROM（只读存储器）中的软件，是操作系统输入输出的一部分，早期的BIOS芯片确实是“只读”的，里面的内容是用一种烧录器写入的，一旦写入就不能更改，除非更换芯片。现在主板都使用一种叫Flash EPROM的芯片来存储BIOS，里面的内容可使用主板厂商提供的擦写程序擦除后重新写入，这样就给用户升级BIOS带来的极大的方便。

BIOS程序的主要作用是硬件自检（简称BIOS自检），然后将控制权转交给下一阶段的启动程序。BIOS程序的硬件自检也称硬件自检（Power-On SelfTest，POST），主要负责检测系统外围的关键设备（如CPU、内存、显卡、I/O、键盘鼠标等）。例如最常见的是内存松动的情况，BIOS自检阶段会报错，系统无法自动起来。自检中如果发现错误，将按两种情况处理：对于严重故障（致命性故障），会直接停机，此时由于各种初始化还没有完成，因此不能给出任何的提示信号；对于非严重的故障则给出提示或者声音报警信号，等待用户处理。如果没有问题，屏幕就会显示CPU、内存、硬盘等信息。如图所示就是自检过程中打印的一些信息。

硬件自检完成后，BIOS将把控制权交给下一阶段的启动程序。这时间，BIOS需要知道，“下一阶段的启动程序”具体在那一个设备。也就是说，BIOS需要一个外部的存储设备的顺序，排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。这种顺序叫作“启动顺序”（Boot Sequence）。打开BIOS的操作界面，里面有一项是“设定启动顺序”。

BIOS代码基本运行结束了，现在要将引导程序代码载入内存运行。那么引导程序代码在哪里呢？这里讲的是PC上的引导。PC上的引导代码（bootloader程序）分为两部分，第一个部分位于主引导记录（MBR）上，这部分先启动，作用是引导位于某一个分区上的第二部分引导程序，如果NTKLDR、BOOTMGR和GRUB等。所以我们经常见到的GRUB属于bootloader，不属于BIOS。

BIOS按照“启动顺序”，把控制权交给排在第一位的存储设备。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字节。如果者512字节的最后两个字节是0x55和0xAA，这就表明这个设备可以被启动；如果不是，表明设备不能被启动，控制权于是被转交给“启动顺序”中的下一个设备。最前面的512字节就叫做“主引导记录”（Master Boot Record，MBR）。“主引导记录”只有512个字节，放不了太多东西。他的主要作用就是，告诉计算机到硬盘的那个位置找操作系统。引导记录由以下3个部分组成。

BIOS把第一部分引导代码装入内存后，他就退出了，此时第一部分引导就启动了。第二部分“分区表”的作用就是将硬盘分成若干分区。将硬盘进行分区有很多好处。考虑到每个分区可以按照不同的操作系统，因此“主引导记录”必须知道将控制权交给那个区。分区表的长度只有64个字节，里面又分为4项，每项16字节。所以，硬盘最多只能分4个一级分区，又叫“主分区”。每个分区的16个字节由以下6部分组成。

最后4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字节，也就意味着单个分区最大不超过2TB。在考虑到扇区的逻辑地址也是32位，所以单个扇区的可利用的最大空间也不超过2TB。如果想使用更大的磁盘，只有两个方法：一是提高每个扇区的字节数；二是增加扇区总数。

介绍了一些分区表的的概念后，我们继续计算机的引导。现在计算机的控制权要交给硬盘的某个分区了，这里又分成2种情况。

要引导的操作系统位于激活的主分区里。4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，这个分区叫做“卷引导记录”（Volume Boot Record，VBR）。“卷引导记录”的主要作用就是，告诉计算机，操作系统在这个分区里的位置。随后，计算机就会加载操作系统了。

要引导的操作系统位于逻辑分区里。随着硬盘越来越大，4个分区已经不够了，需要更多的分区。但是分区表只有4项，因此规定有且只有一个分区可以被定义成“扩展分区”（Extended Partition）。所谓“扩展分区”，就是指这个区里面又分为好多区。这种分区里面又有分区就叫做“逻辑分区”（Logical Partition）。扩展分区包含一个或多个逻辑分区。

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，EBR）。它里面也包含一张64字节的分区表，但是最多只有两个分区项，第一个分区项描述第一个逻辑分区，第二个分区项描述第二个逻辑分区。如果不存在下一个逻辑分区，第二个分区项项就不需要使用。如果有两个分区项，计算机就可以找到第二个分区项，接着读取第二个分区项的分区表的第一个扇区，再从里面的分区表找到第三个逻辑分区的位置，以此类推，直到某个逻辑分区表只包含自己为止（只有一个分区）。因此，扩展分区可以包含无数个逻辑分区。

如果要启动扩展分区上（逻辑分区）的操作系统，计算机读取“主引导记录”前面446字节的机器码后，不再把控制权交给某一个分区，而是运行事先安排好的“启动管理器”程序（比如GRUB），这意味着第二部分引导代码启动了。它提示用户选择哪一个操作系统。Linux环境中，目前最流行的管理器是GRUB。

用户选择后，就可以直接启动所选的操作系统了。系统引导也就结束了，下面也就到了操作系统内核登场。