計算機是如何啟動的？

從按下電源鍵到響起 windows 7啟動的聲音，計算機的啟動經歷了非常複雜的過程。

先問乙個問題，」啟動」用英語怎麼說？

回答是boot。可是，boot原來的意思是靴子，」啟動」與靴子有什麼關係呢？原來，這裡的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，計算機啟動是乙個很矛盾的過程：必須先執行程式，然後計算機才能啟動，但是計算機不啟動就無法執行程式！

早期真的是這樣，必須想盡各種辦法，把一小段程式裝進記憶體，然後計算機才能正常執行。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。

上個世紀70年代初，」唯讀記憶體」（read-only memory，縮寫為rom）發明，開機程式被刷入rom晶元，計算機通電後，第一件事就是讀取它。

這塊晶元裡的程式叫做」基本輸出輸入系統」（basic input/output system），簡稱為bios。

bios程式首先檢查，計算機硬體能否滿足執行的基本條件，這叫做」硬體自檢」（power-on self-test），縮寫為post。

如果硬體出現問題，主機板會發出不同含義的蜂鳴（beep codes），啟動中止。如果沒有問題，螢幕就會顯示出cpu、記憶體、硬碟等資訊。

硬體自檢完成後，bios把控制權轉交給下一階段的啟動程式。這時，bios需要知道，」下一階段的啟動程式」具體存放在哪乙個裝置。也就是說，bios需要有乙個外部儲存裝置的排序，排在前面的裝置就是優先轉交控制權的裝置。這種排序叫做」啟動順序」（boot sequence）。開啟bios的操作介面，裡面有一項就是」設定啟動順序」。

bios按照」啟動順序」，把控制權轉交給排在第一位的儲存裝置。

這時，計算機讀取該裝置的第乙個扇區，也就是讀取最前面的512個位元組。如果這512個位元組的最後兩個位元組是0x55和0xaa，表明這個裝置可以用於啟動；如果不是，表明裝置不能用於啟動，控制權於是被轉交給」啟動順序」中的下乙個裝置。

這最前面的512個位元組，就叫做」主引導記錄」（master boot record，縮寫為mbr）。

「主引導記錄」只有512個位元組，放不了太多東西。它的主要作用是，告訴計算機到硬碟的哪乙個位置去找作業系統。

主引導記錄由三個部分組成：

（1）第1-446位元組：呼叫作業系統的機器碼。

（2）第447-510位元組：分割槽表（partition table）。

（3）第511-512位元組：主引導記錄簽名（0x55和0xaa）。

硬碟分割槽有很多好處。考慮到每個區可以安裝不同的作業系統，」主引導記錄」因此必須知道將控制權轉交給哪個區。

分割槽表的長度只有64個位元組，裡面又分成四項，每項16個位元組。所以，乙個硬碟最多只能分四個一級分割槽，又叫做」主分割槽」。

每個主分割槽的16個位元組，由6個部分組成（也即用來標識乙個主分割槽）：

（1）第1個位元組：如果為0x80，就表示該主分割槽是啟用分割槽，控制權要轉交給這個分割槽。四個主分割槽裡面只能有乙個是啟用的。

（2）第2-4個位元組：主分割槽第乙個扇區的物理位置（柱面、磁頭、扇區號等等）。

（3）第5個位元組：主分割槽型別。

（4）第6-8個位元組：主分割槽最後乙個扇區的物理位置。

（5）第9-12位元組：該主分割槽第乙個扇區的邏輯位址。

（6）第13-16位元組：主分割槽的扇區總數。

最後的四個位元組（」主分割槽的扇區總數」），決定了這個主分割槽的長度。也就是說，乙個主分割槽的扇區總數最多不超過2的32次方。

如果每個扇區為512個位元組，就意味著單個分割槽最大不超過2tb（232

×29=

2×240

）。再考慮到扇區的邏輯位址也是32位，所以單個硬碟可利用的空間最大也不超過2tb。如果想使用更大的硬碟，只有2個方法：一是提高每個扇區的位元組數（29

上做文章），二是增加扇區總數（232

做文章）。

這時，計算機的控制權就要轉交給硬碟的某個分割槽了，這裡又分成三種情況。

上一節提到，四個主分割槽裡面，只有乙個是啟用的。計算機會讀取啟用分割槽的第乙個扇區，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，作業系統在這個分割槽裡的位置。然後，計算機就會載入作業系統了。

隨著硬碟越來越大，四個主分割槽已經不夠了，需要更多的分割槽。但是，分割槽表只有四項，因此規定有且僅有乙個區可以被定義成」擴充套件分割槽「（extended partition）。

所謂」擴充套件分割槽」，就是指這個區裡面又分成多個區。這種分割槽裡面的分割槽，就叫做」邏輯分割槽」（logical partition）。

計算機先讀取擴充套件分割槽的第乙個扇區，叫做」擴充套件引導記錄」（extended boot record，縮寫為ebr）。它裡面也包含一張64位元組的分割槽表，但是最多只有兩項（也就是兩個邏輯分割槽）。

計算機接著讀取第二個邏輯分割槽的第乙個扇區，再從裡面的分割槽表中找到第三個邏輯分割槽的位置，以此類推，直到某個邏輯分割槽的分割槽表只包含它自身為止（即只有乙個分割槽項）。因此，擴充套件分割槽可以包含無數個邏輯分割槽。

但是，似乎很少通過這種方式啟動作業系統。如果作業系統確實安裝在擴充套件分割槽，一般採用下一種方式啟動。

在這種情況下，計算機讀取」主引導記錄」前面446位元組的機器碼之後，不再把控制權轉交給某乙個分割槽，而是執行事先安裝的」啟動管理器「（boot loader），由使用者選擇啟動哪乙個作業系統。

linux環境中，目前最流行的啟動管理器是grub。

控制權轉交給作業系統後，作業系統的核心首先被載入記憶體。

以linux系統為例，先載入/boot目錄下面的kernel。核心載入成功後，第乙個執行的程式是/sbin/init。它根據配置檔案（debian系統是/etc/initab）產生init程序。這是linux啟動後的第乙個程序，pid程序編號為1，其他程序都是它的後代。

然後，init執行緒載入系統的各個模組，比如視窗程式和網路程式，直至執行/bin/login程式，跳出登入介面，等待使用者輸入使用者名稱和密碼。

至此，全部啟動過程完成。

bios⇒ 硬體自檢 ⇒ 根據啟動順序，移交控制權

bios根據啟動順序，找到排在首位的儲存裝置，該裝置的第乙個扇區，512位元組。如果512位元組的最後兩個位元組（簽名）為0x55和0xaa。表明該裝置可以用於啟動，如果不是，表明裝置不能用於啟動，控制權則順延至「啟動順序」中的下乙個裝置；

主引導記錄⇒ 根據分割槽表（4×

16=64 bytes，4 個 term）每個 term 的第乙個位元組為 0x80 標示該分割槽是啟用分割槽（且只有乙個） ⇒ 移交控制權至該分割槽

分兩種情況：

計算機的控制權已轉交至該分割槽⇒ 該分割槽的第乙個扇區（vbr，卷引導記錄） ⇒ 計算機就會知曉作業系統在分割槽中的位置 ⇒ 計算機載入作業系統

計算機讀取完「主引導記錄」的前446個位元組的機器碼之後，不再把控制權轉交給某一分割槽，而是執行事先安裝的「啟動管理器」（boot loader），由使用者選擇啟動哪乙個作業系統。

計算機是如何啟動的？

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