計算機是如何啟動的？

日期： 2023年2月16日

從開啟電源到開始操作，計算機的啟動是乙個非常複雜的過程。

我一直搞不清楚，這個過程到底是怎麼回事，只看見螢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。

零、boot的含義

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。

一、第一階段：bios

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。

1.1 硬體自檢

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，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。

1.2 啟動順序

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"。

二、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）。

2.1 主引導記錄的結構

"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）。

其中，第二部分"分割槽表"的作用，是將硬碟分成若干個區。

2.2 分割槽表

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：

（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。

（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。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，二是增加扇區總數。

三、第三階段：硬碟啟動

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。

3.1 情況a：卷引導記錄

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。

3.2 情況b：擴充套件分割槽和邏輯分割槽

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。

3.3 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。

四、第四階段：作業系統

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。

（完）

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