從打開電源到開始操作，計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。

我一直搞不清楚，這個(gè)過程到底是怎么回事，只看見屏幕快速滾動(dòng)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

先問一個(gè)問題，'啟動(dòng)'用英語怎么說？

回答是boot。可是，boot原來的意思是靴子，'啟動(dòng)'與靴子有什么關(guān)系呢？原來，這里的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(dāng)然是不可能的事情。最早的時(shí)候，工程師們用它來比喻，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)是一個(gè)很矛盾的過程：必須先運(yùn)行程序，然后計(jì)算機(jī)才能啟動(dòng)，但是計(jì)算機(jī)不啟動(dòng)就無法運(yùn)行程序！

早期真的是這樣，必須想盡各種辦法，把一小段程序裝進(jìn)內(nèi)存，然后計(jì)算機(jī)才能正常運(yùn)行。所以，工程師們把這個(gè)過程叫做'拉鞋帶'，久而久之就簡(jiǎn)稱為boot了。

計(jì)算機(jī)的整個(gè)啟動(dòng)過程分成四個(gè)階段。

一、第一階段：BIOS

上個(gè)世紀(jì)70年代初，'只讀內(nèi)存'（read-only memory，縮寫為ROM）發(fā)明，開機(jī)程序被刷入ROM芯片，計(jì)算機(jī)通電后，第一件事就是讀取它。

這塊芯片里的程序叫做'基本輸出輸入系統(tǒng)'（Basic Input/Output System），簡(jiǎn)稱為BIOS。

1.1 硬件自檢

BIOS程序首先檢查，計(jì)算機(jī)硬件能否滿足運(yùn)行的基本條件，這叫做'硬件自檢'（Power-On Self-Test），縮寫為POST。

如果硬件出現(xiàn)問題，主板會(huì)發(fā)出不同含義的蜂鳴，啟動(dòng)中止。如果沒有問題，屏幕就會(huì)顯示出CPU、內(nèi)存、硬盤等信息。

1.2 啟動(dòng)順序

硬件自檢完成后，BIOS把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給下一階段的啟動(dòng)程序。

這時(shí)，BIOS需要知道，'下一階段的啟動(dòng)程序'具體存放在哪一個(gè)設(shè)備。也就是說，BIOS需要有一個(gè)外部?jī)?chǔ)存設(shè)備的排序，排在前面的設(shè)備就是優(yōu)先轉(zhuǎn)交控制權(quán)的設(shè)備。這種排序叫做'啟動(dòng)順序'（Boot Sequence）。

打開BIOS的操作界面，里面有一項(xiàng)就是'設(shè)定啟動(dòng)順序'。

二、第二階段：主引導(dǎo)記錄

BIOS按照'啟動(dòng)順序'，把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給排在第一位的儲(chǔ)存設(shè)備。

這時(shí)，計(jì)算機(jī)讀取該設(shè)備的第一個(gè)扇區(qū)，也就是讀取最前面的512個(gè)字節(jié)。如果這512個(gè)字節(jié)的最后兩個(gè)字節(jié)是0x55和0xAA，表明這個(gè)設(shè)備可以用于啟動(dòng)；如果不是，表明設(shè)備不能用于啟動(dòng)，控制權(quán)于是被轉(zhuǎn)交給'啟動(dòng)順序'中的下一個(gè)設(shè)備。

這最前面的512個(gè)字節(jié)，就叫做'主引導(dǎo)記錄'（Master boot record，縮寫為MBR）。

2.1 主引導(dǎo)記錄的結(jié)構(gòu)

'主引導(dǎo)記錄'只有512個(gè)字節(jié)，放不了太多東西。它的主要作用是，告訴計(jì)算機(jī)到硬盤的哪一個(gè)位置去找操作系統(tǒng)。

主引導(dǎo)記錄由三個(gè)部分組成：

• （1） 第1-446字節(jié)：調(diào)用操作系統(tǒng)的機(jī)器碼。

  
  

• （2） 第447-510字節(jié)：分區(qū)表（Partition table）。

  
  

• （3） 第511-512字節(jié)：主引導(dǎo)記錄簽名（0x55和0xAA）。

  
  

其中，第二部分'分區(qū)表'的作用，是將硬盤分成若干個(gè)區(qū)。

2.2 分區(qū)表

硬盤分區(qū)有很多好處?？紤]到每個(gè)區(qū)可以安裝不同的操作系統(tǒng)，'主引導(dǎo)記錄'因此必須知道將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給哪個(gè)區(qū)。

分區(qū)表的長(zhǎng)度只有64個(gè)字節(jié)，里面又分成四項(xiàng)，每項(xiàng)16個(gè)字節(jié)。所以，一個(gè)硬盤最多只能分四個(gè)一級(jí)分區(qū)，又叫做'主分區(qū)'。

每個(gè)主分區(qū)的16個(gè)字節(jié)，由6個(gè)部分組成：

• （1） 第1個(gè)字節(jié)：如果為0x80，就表示該主分區(qū)是激活分區(qū)，控制權(quán)要轉(zhuǎn)交給這個(gè)分區(qū)。四個(gè)主分區(qū)里面只能有一個(gè)是激活的。

  
  

• （2） 第2-4個(gè)字節(jié)：主分區(qū)第一個(gè)扇區(qū)的物理位置（柱面、磁頭、扇區(qū)號(hào)等等）。

  
  

• （3） 第5個(gè)字節(jié)：主分區(qū)類型。

  
  

• （4） 第6-8個(gè)字節(jié)：主分區(qū)最后一個(gè)扇區(qū)的物理位置。

  
  

• （5） 第9-12字節(jié)：該主分區(qū)第一個(gè)扇區(qū)的邏輯地址。

  
  

• （6） 第13-16字節(jié)：主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)。

  
  

最后的四個(gè)字節(jié)（'主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)'），決定了這個(gè)主分區(qū)的長(zhǎng)度。也就是說，一個(gè)主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)最多不超過2的32次方。

如果每個(gè)扇區(qū)為512個(gè)字節(jié)，就意味著單個(gè)分區(qū)最大不超過2TB。再考慮到扇區(qū)的邏輯地址也是32位，所以單個(gè)硬盤可利用的空間最大也不超過2TB。如果想使用更大的硬盤，只有2個(gè)方法：一是提高每個(gè)扇區(qū)的字節(jié)數(shù)，二是增加扇區(qū)總數(shù)。

三、第三階段：硬盤啟動(dòng)

這時(shí)，計(jì)算機(jī)的控制權(quán)就要轉(zhuǎn)交給硬盤的某個(gè)分區(qū)了，這里又分成三種情況。

3.1 情況A：卷引導(dǎo)記錄

上一節(jié)提到，四個(gè)主分區(qū)里面，只有一個(gè)是激活的。計(jì)算機(jī)會(huì)讀取激活分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，叫做'卷引導(dǎo)記錄'（Volume boot record，縮寫為VBR）。

'卷引導(dǎo)記錄'的主要作用是，告訴計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)在這個(gè)分區(qū)里的位置。然后，計(jì)算機(jī)就會(huì)加載操作系統(tǒng)了。

3.2 情況B：擴(kuò)展分區(qū)和邏輯分區(qū)

隨著硬盤越來越大，四個(gè)主分區(qū)已經(jīng)不夠了，需要更多的分區(qū)。但是，分區(qū)表只有四項(xiàng)，因此規(guī)定有且僅有一個(gè)區(qū)可以被定義成'擴(kuò)展分區(qū)'（Extended partition）。

所謂'擴(kuò)展分區(qū)'，就是指這個(gè)區(qū)里面又分成多個(gè)區(qū)。這種分區(qū)里面的分區(qū)，就叫做'邏輯分區(qū)'（logical partition）。

計(jì)算機(jī)先讀取擴(kuò)展分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，叫做'擴(kuò)展引導(dǎo)記錄'（Extended boot record，縮寫為EBR）。它里面也包含一張64字節(jié)的分區(qū)表，但是最多只有兩項(xiàng)（也就是兩個(gè)邏輯分區(qū)）。

計(jì)算機(jī)接著讀取第二個(gè)邏輯分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，再?gòu)睦锩娴姆謪^(qū)表中找到第三個(gè)邏輯分區(qū)的位置，以此類推，直到某個(gè)邏輯分區(qū)的分區(qū)表只包含它自身為止（即只有一個(gè)分區(qū)項(xiàng)）。因此，擴(kuò)展分區(qū)可以包含無數(shù)個(gè)邏輯分區(qū)。

但是，似乎很少通過這種方式啟動(dòng)操作系統(tǒng)。如果操作系統(tǒng)確實(shí)安裝在擴(kuò)展分區(qū)，一般采用下一種方式啟動(dòng)。

3.3 情況C：?jiǎn)?dòng)管理器

在這種情況下，計(jì)算機(jī)讀取'主引導(dǎo)記錄'前面446字節(jié)的機(jī)器碼之后，不再把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給某一個(gè)分區(qū)，而是運(yùn)行事先安裝的'啟動(dòng)管理器'（boot loader），由用戶選擇啟動(dòng)哪一個(gè)操作系統(tǒng)。

Linux環(huán)境中，目前最流行的啟動(dòng)管理器是Grub。

四、第四階段：操作系統(tǒng)

控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)后，操作系統(tǒng)的內(nèi)核首先被載入內(nèi)存。

以Linux系統(tǒng)為例，先載入/boot目錄下面的kernel。內(nèi)核加載成功后，第一個(gè)運(yùn)行的程序是/sbin/init。它根據(jù)配置文件（Debian系統(tǒng)是/etc/initab）產(chǎn)生init進(jìn)程。這是Linux啟動(dòng)后的第一個(gè)進(jìn)程，pid進(jìn)程編號(hào)為1，其他進(jìn)程都是它的后代。

然后，init線程加載系統(tǒng)的各個(gè)模塊，比如窗口程序和網(wǎng)絡(luò)程序，直至執(zhí)行/bin/login程序，跳出登錄界面，等待用戶輸入用戶名和密碼。

至此，全部啟動(dòng)過程完成。

轉(zhuǎn)載自：阮一峰的網(wǎng)絡(luò)日志

文章地址：http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html

作者：阮一峰

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