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  • 计算机启动过程

    打开电源到开始操作,计算机的启动是一个非常复杂的过程。

    诸位亲一直搞不清楚,这个过程到底是怎么回事,只看见屏幕快速滚动各种提示...... 这几天,小诺查了一些资料,试图搞懂并分享给亲们。下面就是小诺整理出来的相关信息。

    在这之前先问亲们一个问题,"启动"用英语怎么说?

    回答是boot。可是,boot原来的意思是靴子,"启动"与靴子有什么关系呢? 原来,这里的boot是bootstrap(鞋带)的缩写,它来自一句谚语:"pull oneself up by one's bootstraps"

    字面意思是"拽着鞋带把自己拉起来",这当然是不可能的事情。

    最早的时候,工程师们用它来比喻,计算机启动是一个很矛盾的过程:必须先运行程序,然后计算机才能启动,但是计算机不启动就无法运行程序!

    早期真的是这样,必须想尽各种办法,把一小段程序装进内存,然后计算机才能正常运行。所以,工程师们把这个过程叫做"拉鞋带",久而久之就简称为boot了。

    计算机的整个启动过程分成四个阶段。

    一、第一阶段:BIOS

    上个世纪70年代初,"只读内存"(read-only memory,缩写为ROM)发明,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。

    这块芯片里的程序叫做"基本輸出輸入系統"(Basic Input/Output System),简称为BIOS。

    1、 硬件自检

    BIOS程序首先检查,计算机硬件能否满足运行的基本条件,这叫做"硬件自检"(Power-On Self-Test),缩写为POST。

    如果硬件出现问题,主板会发出不同含义的蜂鸣,启动中止。如果没有问题,屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。

    2、 启动顺序

    硬件自检完成后,BIOS把控制权转交给下一阶段的启动程序。

    这时,BIOS需要知道,"下一阶段的启动程序"具体存放在哪一个设备。也就是说,BIOS需要有一个外部储存设备的排序,排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。这种排序叫做"启动顺序"(Boot Sequence)。

    打开BIOS的操作界面,里面有一项就是"设定启动顺序"。

    二、第二阶段:主引导记录

    BIOS按照"启动顺序",把控制权转交给排在第一位的储存设备。

    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个字节。如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA,表明这个设备可以用于启动;如果不是,表明设备不能用于启动,控制权于是被转交给"启动顺序"中的下一个设备。

    这最前面的512个字节,就叫做"主引导记录"(Master boot record,缩写为MBR)。

    1、主引导记录的结构

    "主引导记录"只有512个字节,放不了太多东西。它的主要作用是,告诉计算机到硬盘的哪一个位置去找操作系统。

    主引导记录由三个部分组成:

     (1) 第1-446字节:调用操作系统的机器码。

     (2) 第447-510字节:分区表(Partition table)。

     (3) 第511-512字节:主引导记录签名(0x55和0xAA)。

    其中,第二部分"分区表"的作用,是将硬盘分成若干个区。

    2、分区表

    硬盘分区有很多好处。考虑到每个区可以安装不同的操作系统,"主引导记录"因此必须知道将控制权转交给哪个区。

    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"。

    每个主分区的16个字节,由6个部分组成:

     (1) 第1个字节:如果为0x80,就表示该主分区是激活分区,控制权要转交给这个分区。四个主分区里面只能有一个是激活的。

     (2) 第2-4个字节:主分区第一个扇区的物理位置(柱面、磁头、扇区号等等)。

     (3) 第5个字节:主分区类型。

     (4) 第6-8个字节:主分区最后一个扇区的物理位置。

     (5) 第9-12字节:该主分区第一个扇区的逻辑地址。

     (6) 第13-16字节:主分区的扇区总数。

    最后的四个字节("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个字节,就意味着单个分区最大不超过2TB。再考虑到扇区的逻辑地址也是32位,所以单个硬盘可利用的空间最大也不超过2TB。如果想使用更大的硬盘,只有2个方法:一是提高每个扇区的字

    节数,二是增加扇区总数。

    三、第三阶段:硬盘启动

    到了这个时期,计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区了,这里又分成三种情况。

    1、 情况A:卷引导记录

    上一节提到,四个主分区里面,只有一个是激活的。计算机会读取激活分区的第一个扇区,叫做"卷引导记录"(Volume boot record,缩写为VBR)。

    "卷引导记录"的主要作用是,告诉计算机,操作系统在这个分区里的位置。然后,计算机就会加载操作系统了。

    2、 情况B:扩展分区和逻辑分区

    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)。

    所谓"扩展分区",就是指这个区里面又分成多个区。这种分区里面的分区,就叫做"逻辑分区"(logical partition)。

    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,缩写为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)。

    计算机接着读取第二个逻辑分区的第一个扇区,再从里面的分区表中找到第三个逻辑分区的位置,以此类推,直到某个逻辑分区的分区表只包含它自身为止(即只有一个分区项)。因此,扩展分区可以包含无数个逻辑分区。

    但是,似乎很少通过这种方式启动操作系统。如果操作系统确实安装在扩展分区,一般采用下一种方式启动。

    3、 情况C:启动管理器

    在这种情况下,计算机读取"主引导记录"前面446字节的机器码之后,不再把控制权转交给某一个分区,而是运行事先安装的"启动管理器"(boot loader),由用户选择启动哪一个操作系统。

    四、第四阶段:操作系统

    控制权转交给操作系统后,操作系统的内核首先被载入内存。

    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。

    至此,全部启动过程完成。

    原文:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1625864611606341973&wfr=spider&for=pc

    简练版概括:

    第一阶段blos

        blos是写入到主板中的软件程序。
        开机时计算机首先执行硬件中的blos程序。
        BIOS程序首先检查计算机硬件能否满足运行的基本条件,这叫做”硬件自检”。
        硬件自检完成后,BIOS把控制权转交给下一阶段的启动程序。
        这时,BIOS需要知道,”下一阶段的启动程序”具体存放在哪一个设备。也就是说,BIOS需要有一个外部储存设备的排序,排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。

    主引导记录MBR

        BIOS按照”启动顺序”,把控制权转交给排在第一位的储存设备。即根据用户指定的引导顺序从存储设备中读取启动设备的MBR,并放入指定的位置内存中。
        MBR 第一个可开机设备的第一个扇区内的主引导分区块,内含引导加载程序。
        主引导记录”只有512个字节。它的主要作用是,告诉计算机到硬盘的哪一个位置去找操作系统。
        每个磁盘分区可以安装不同的操作系统,”主引导记录”因此必须知道将控制权转交给哪个区。

    硬盘启动

        这时,计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区了
        硬盘的启动有三种情况:卷引导记录,扩展分区和逻辑分区,启动管理器

    如果计算机只安装了一个windows操作系统,那么硬盘通常会以第一种方式启动,即读取激活分区的第一个扇区,加载操作系统。
    如果计算机安装了windows,linux双系统,硬盘一般会以第三种方式启动,让用户去选择启动哪个分区的操作系统。
    很少用第二种方式去启动硬盘。

    操作系统

        控制权转交给操作系统后,操作系统的内核首先被载入内存。

    个人实例

        自己在按下电脑开机键后,blos程序会自动选择电脑的硬盘作为默认的启动存储设备。
        如果自己安装了u盘启动盘,就可以长按esc进入blos设置,把u盘作为默认的启动存储设备。
        电脑启动自身硬件存储设备之后,在主引导分区块中有windows的引导加载程序,而在其他磁盘分区中还有linux的引导加载程序。
        此时电脑不会自动启动任何一个磁盘分区,而是通过启动管理器,让用户选择进入哪个操作系统。
        自己选择某个操作系统启动项之后,计算机才开始加载相关内核文件,启动相关操作系统。

    原文:https://blog.csdn.net/zuiziyoudexiao/article/details/78927439  

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/liuzhenbo/p/10790530.html
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