計算機是如何啟動的?

2021-07-09 17:40:00 字數 4166 閱讀 8960

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0x550xaa,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

感謝作者!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 ...

計算機是如何啟動的?

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...

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