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