作業系統學習筆記（二）系統啟動流程

上一節講解系統呼叫的過程中粗略的講了一下系統啟動的流程，然而實際上系統地啟動流程遠沒有那麼簡單，本節就稍微詳細地講解一下。但是實際上即使是這一節也無法十分詳細講解，只是讓我們對系統啟動的過程有乙個整體的認識而已。

首先是bios讀取引導程式的過程：系統加電後，cpu初始化，然後bios初始化硬體，然後查詢主引導記錄讀取主引導扇區**，這是由於現代計算機內通常不止有乙個分割槽，不同分區內可能有不同的作業系統，而我們需要知道我們要啟動的作業系統在哪個分區內（稱為活動分割槽），這就是通過讀取主引導記錄實現的。知道活動分割槽之後將活動分割槽引導扇區內的**讀取到記憶體並執行，引導扇區內的**讀取檔案系統的引導程式。這才是較為完整的讀取引導程式的過程。

那麼再詳細一點講，計算機上電後，首先是cpu初始化：cpu上電後，通過cs、ip兩個暫存器知道從0xffff0位址讀取第一條指令，這條指令是跳轉指令，跳轉到bios程式段。為什麼是0xffff0呢，這是因為cpu上電後會初始化cs:ip = 0xf000:fff0。並且cpu初始化後處於實模式，也就是16位系統，20位定址空間，是通過將cs左移4位與ip相加得到最終的位址因此指令指標pc = 16*cs+ip。20位定址空間自然意味著最大定址空間為2^20byte，即1m。

接下來是bios初始化：硬體自檢（rom等）；檢測記憶體（ram）、顯示卡等關鍵部件是否存在，存在的話工作狀態是否正常；查詢並執行顯示卡等介面卡的bios（顯示卡等擁有自己的bios韌體），對裝置進行初始化；之後執行系統bios進行系統檢測，主要是為了檢測計算機有哪些即插即用裝置，比如硬碟、光碟機或者u盤；檢查完之後更新cmos中的擴充套件系統配置資料（escd）告知有哪些即插即用裝置；之後就可以按照指定的啟動順序從軟盤、硬碟或者光碟機啟動作業系統。

bios初始化完了，自然是要讀取主引導記錄。主引導記錄（mbr）的格式如下圖：啟動**限制為446位元組以內，用於檢查分割槽表的正確性、尋找活動分割槽並將活動分割槽引導程式載入到記憶體；還有64位元組用於儲存硬碟分割槽表，描述分割槽狀態和位置，最多表示4個分割槽，每個分割槽16位元組；還有乙個mbr結束標誌字（0x55aa），佔2位元組，只有有這個結束字才認為這條mbr是合法的mbr並執行啟動**。

當主引導記錄讀完並正確執行啟動**後，活動分割槽引導扇區的內容就被讀入記憶體，分割槽引導扇區格式如下圖：首先是跳轉指令，這條跳轉指令是與平台相關的，cpu不同則跳轉指令不同，跳轉至啟動**處；檔案捲頭結構則記錄檔案系統描述資訊；結束標誌也是0x55aa；啟動**則負責跳轉到引導程式，引導程式不儲存在引導扇區，而是儲存在磁碟中，只要在啟動**中記錄引導程式的位置即可。

活動分割槽引導扇區將引導程式讀入記憶體之後，引導程式的執行狀態如下圖：引導程式並不是直接讀取作業系統核心，而是從檔案系統中讀取啟動配置資訊；依據配置資訊（不同的核心有不同的配置資訊），確定啟動的核心或啟動引數（比如是安全模式啟動還是正常模式啟動）；最後根據配置載入指定核心並轉到核心執行，此時將控制權轉移給了作業系統核心。

值的一提的是，以上所說為較早版本的系統啟動流程，隨著技術的發展，出現了uefi（unified extensible firmware inte***ce）統一可擴充套件韌體介面，這是bios的接任者。裡面有一些新的標準，比如mbr只能儲存4個分割槽的方式逐漸被淘汰，現在出現了gpt（globally unique identifier partition table）進行替代；uefi可以選擇啟用哪些韌體等。

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