計算機是如何啟動的

2022-03-31 10:06:51 字數 3868 閱讀 7062

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.

一、第一階段:bios

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。

1. 1 硬體自檢

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,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。

1. 2 啟動順序

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"。

二、第二階段:主引導記錄

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0x55和0xaa,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)。

2. 1 主引導記錄的結構

"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)。

其中,第二部分"分割槽表"的作用,是將硬碟分成若干個區。

2. 2 分割槽表

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:

(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。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,二是增加扇區總數。

三、第三階段:硬碟啟動

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。

3. 1 情況a:卷引導記錄

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。

3. 2 情況b:擴充套件分割槽和邏輯分割槽

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。

3. 3 情況c:啟動管理器

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。

四、第四階段:作業系統

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。

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 ...

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