電腦是怎麼啟動起來的？

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聲明：本文轉載於網路，感謝著作者！

原文連結：http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/2437

 

從開啟電源到開始操作，電腦的啟動是一個非常複雜的過程。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。

1. boot的含義

先問一個問題，“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，電腦啟動是一個很矛盾的過程：必須先運行程式，然後電腦才能啟動，但是電腦不啟動就無法運行程式！

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，然後電腦才能正常運行。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。

電腦的整個啟動過程分成四個階段。

2. 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晶片，電腦通電後，第一件事就是讀取它。

這塊晶片裡的程式叫做“基本輸出入系統 (BIOS)”（Basic Input/Output System），簡稱為BIOS。

2.1 硬體自檢

BIOS程式首先檢查，電腦硬體能否滿足啟動並執行基本條件，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。

2.2 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”具體存放在哪一個裝置。也就是說，BIOS需要有一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”。

3. 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，電腦讀取該裝置的第一個扇區，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”中的下一個裝置。

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）。

3.1 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，告訴電腦到硬碟的哪一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：叫用作業系統的機器碼。
2. 第447-510位元組：分區表（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“分區表”的作用，是將硬碟分成若干個區。

3.2 分區表

硬碟分區有很多好處。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。

分區表的長度只有64個位元組，裡面又分成四項，每項16個位元組。所以，一個硬碟最多隻能分四個一級分區，又叫做“主要磁碟分割”。

每個主要磁碟分割的16個位元組，由6個部分組成：

1. 第1個位元組：如果為0x80，就表示該主要磁碟分割是啟用分區，控制權要轉交給這個分區。四個主要磁碟分割裡面只能有一個是啟用的。
2. 第2-4個位元組：主要磁碟分割第一個扇區的物理位置（柱面、磁頭、扇區號等等）。
3. 第5個位元組：主要磁碟分割類型。
4. 第6-8個位元組：主要磁碟分割最後一個扇區的物理位置。
5. 第9-12位元組：該主要磁碟分割第一個扇區的邏輯地址。
6. 第13-16位元組：主要磁碟分割的扇區總數。

最後的四個位元組（“主要磁碟分割的扇區總數”），決定了這個主要磁碟分割的長度。也就是說，一個主要磁碟分割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，就意味著單個分區最大不超過2TB。再考慮到扇區的邏輯地址也是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。

4. 第三階段：硬碟啟動

這時，電腦的控制權就要轉交給硬碟的某個分區了，這裡又分成三種情況。

4.1 情況A：卷引導記錄

上一節提到，四個主要磁碟分割裡面，只有一個是啟用的。電腦會讀取啟用分區的第一個扇區，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，告訴電腦，作業系統在這個分區裡的位置。然後，電腦就會載入作業系統了。

4.2 情況B：擴充分區和邏輯分區

隨著硬碟越來越大，四個主要磁碟分割已經不夠了，需要更多的分區。但是，分區表只有四項，因此規定有且僅有一個區可以被定義成“擴充分區”（Extended partition）。

所謂“擴充分區”，就是指這個區裡面又分成多個區。這種分區裡面的分區，就叫做“邏輯分區”（logical partition）。

電腦先讀取擴充分區的第一個扇區，叫做“擴充引導記錄”（Extended boot record，縮寫為EBR）。它裡面也包含一張64位元組的分區表，但是最多隻有兩項（也就是兩個邏輯分區）。

電腦接著讀取第二個邏輯分區的第一個扇區，再從裡面的分區表中找到第三個邏輯分區的位置，以此類推，直到某個邏輯分區的分區表只包含它自身為止（即只有一個分區項）。因此，擴充分區可以包含無數個邏輯分區。

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分區，一般採用下一種方式啟動。

4.3 情況C：啟動管理器

在這種情況下，電腦讀取“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一個分區，而是運行事先安裝的“啟動管理器”（boot loader），由使用者選擇啟動哪一個作業系統。

Linux環境中，目前最流行的啟動管理器是Grub。

5. 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，第一個啟動並執行程式是/sbin/init。它根據設定檔（Debian系統是/etc/initab）產生init進程。這是Linux啟動後的第一個進程，pid進程編號為1，其他進程都是它的後代。

然後，init線程載入系統的各個模組，比如視窗程序和網路程式，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。