Windows XP啟動過程及常見啟動故障

 

一、Windows XP系統在磁碟上的組織

  安裝XP過程中，Windows安裝系統會在電腦的磁碟分割寫入引導相關的組件，分別置放於系統磁碟區(system volume)啟動卷(boot volume)。 一個硬碟一般有兩種分區方式：一是四個主要磁碟分割，每個分區都可以作為使用中的磁碟分割；二是三個主要磁碟分割和一個擴充分區，擴充分區中以邏輯鏈方式組織邏輯分區，邏輯分區數不受限制。Windows的系統磁碟區只能是主要磁碟分割，啟動卷則沒有此限制，主要磁碟分割或邏輯分區均可。

  Windows安裝程式會選擇磁碟上第一個可引導的主要磁碟分割(即使用中的磁碟分割)作為系統磁碟區，在寫MBR(Master Boot Record，磁碟的第一個扇區，大小一般為512位元組)代碼的同時，在該分區第一個扇區寫入開機磁區。系統磁碟區上包含的顯示系統組件包括Ntldr, Boot.ini, Ntdetect.com，Boot.ini是引導菜單設定檔，Ntdetect.com為Ntldr執行硬體檢測，Ntldr負責引導Windows系統，它會讀入Boot.ini，提示引導菜單，載入Ntoskrnl.exe, Bootvid.dll, Hal.dll和引導啟動的裝置驅動程式。如果需要，系統磁碟區上還會包含SCSI驅動程式Ntbootdd.sys。

  Windows系統其他所有組件都會被置放於啟動卷，在安裝的時候由使用者選擇確定，系統內容變數%SystemDrive%指明該分區，所有Windows檔案安裝在%SystemRoot%目錄下。Windows核心組件都位於<WINDOWS\system32>子目錄下，如Ntoskrnl.exe(初始化執行體子系統), Hal.dll(核心模式DLL), smss.exe(會話管理器), winlogon.exe(登入進程), win32k.sys(Windows子系統)等，驅動程式位於drivers目錄下，註冊表檔案位於config目錄下。

  多數情況下，系統磁碟區和啟動卷是一個分區。但事情總有例外，比如把XP安裝在邏輯分區上，此時這兩個卷就是分開的，相關組件就會分別寫在相應的分區上。這裡跑一下題，能不能同時在一個台機器上安裝多個XP系統呢？理論上分析一下，啟動卷可以位於不同的分區，但是如果使用中的磁碟分割不發生改動的話，系統磁碟區總是同一個分區。如此一來，系統磁碟區裡的組件就會被覆蓋重寫，多個XP系統共用系統磁碟區組件，這與彼此完全獨立的XP系統多少還是有所區別的。經過實驗，驗證了我的分析，的確可以在一台機器上安裝多個XP系統，但是系卷是共用的，也就是ntldr, boot.ini(多個啟動項), ntdetect.exe是共用的。

二、Windows XP啟動過程

從系統加電啟動電腦，到使用者登入到案頭完成啟動，Windows大致經曆以下幾個階段。

1. 預引導階段

  系統加電後，電腦立即運行POST自檢程式，檢測系統硬體並進行初始化工作。然後，BIOS定位電腦的引導裝置，讀取MBR至記憶體0X7c00處，然後就跳轉到0x7C00處去執行。

2. 引導階段

  MBR引導代碼掃描分區表，找到XP系統磁碟區，然後將對應分區的開機磁區讀入記憶體，並且將控制權交給它。開機磁區代碼將Ntldr載入到記憶體中以後，它把控制權交給Ntldr，之後就由Ntldr來控制引導過程。

  Ntldr的第一個動作就是將系統切換至保護模式，開啟分頁機制，系統進入了Windows的標準狀態。接著，Ntldr利用BIOS服務訪問磁碟。如果是SCSI磁碟，則需要載入Ntbootdd.sys檔案，用它代替引導代碼函數來訪問磁碟。Ntldr讀取系統磁碟區根目錄下的boot.ini引導菜單檔案，如果存在多個引導項，則顯示一個引導選擇菜單。一旦引導項確定下來，Ntldr載入並執行Ntdetect.exe，它使用系統的BIOS來查詢系統的基本裝置和配置資訊。這些資訊被收集到Ntldr中，在引導過程的後期，它們被儲存在註冊表 HKLM\HARDWARE\\DESCRIPTION。

3. 載入核心階段

在該階段，Ntldr將執行以下任務：

(1)載入正確的核心和HAL映像(預設是Ntoskrnl.exe和hal.dll)。

(2)讀入SYSTEM註冊表儲巢，位於\Windows\system32\config\system，確定需要載入的驅動程式。

(3)掃描記憶體中的SYSTEM註冊表儲巢，找到所有的引導裝置驅動程式。

(4)將訪問系統目錄的檔案系統驅動加入引導驅動程式列表。

(5)載入引導驅動程式。

(6)準備CPU寄存器，調用Ntoskrnl.exe。

4. 初始化核心階段

  Ntoskrnl在螢幕顯示Windows啟動徽標。然後，它通過兩階段來完成核心子系統的初始化：第一階段完成對象定義(process, thread, driver, etc)和核心資料結構初始化；第二階段完成對象初始化和子系統啟動。這兩個過程有隨後成為”System Idle Process”的核心系統線程來完成。

  I/O Manager 按順序載入”boot-start”驅動程式和”system-start”驅動程式，每個驅動程式的資訊都儲存在註冊表HKLM\System\CurrentControlSet\Services中。最後, Ntoskrnl建立會話管理器進程(Session Manager) (\Windows\System32\Smss.exe), 這是第一個使用者態進程。

  Smss運行BootExecute中指定的程式，例如autochk,chkdsk等，處理“Delayed move/rename”命令，初始化paging files和其餘的登錄機碼，載入並初始化核心模式中的Win32子系統 (Win32k.sys)，啟動Csrss.exe (Win32子系統在使用者模式的部分)，啟動Winlogon.exe。

5. 登入階段

  Winlogon.exe載入GINA (Graphical Identification and Authentication)並等待使用者登入，預設GINA是Msgina.dll，它會顯示標的Windows登入對話方塊。然後，Winlogin建立服務控制管理員Services.exe進程，依次載入所有標識為自動啟動的服務和驅動程式，以及本地安全認證子系統LSASS (Local Security Authority)。

  一旦使用者正確登入後，Winlogon從登入使用者的輪廓中載入註冊表儲巢，並且將它映射到HKCU，然後設定使用者環境變數。Winlogin通知GINA執行使用者初始化程式Userinit.exe和Shell指令碼，由HKLM\Software\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\WinLogon\Userinit和Shell指定，載入各種自動啟動項。

  至此，Windows啟動完成，使用者將控制電腦展開各種活動。

三、Windows XP常見啟動故障

  XP啟動過程中可能發生一些問題，主要包括MBR損壞、開機磁區損壞、系統檔案缺失或損壞、Boot.ini缺失或配置錯誤、系統崩潰或藍屏、系統服務或驅動載入失敗、使用者登入問題等等。這些問題可能是由於硬碟破壞、檔案破壞、缺失檔案以及第三方驅動程式錯誤造成的。針對引導問題，Windows提供了多種診斷和修複解決方案，主要有最後已知的好配置(Last Known Good Configuration)、安全模式、安全模式下的驅動程式載入、修復主控台(Recovery Console)。其中，修復主控台中提供了很多工具 + 生產力，如fixmbr, fixboot, bootcfg, chkdsk。對於進階使用者，可以利用Windows調試工具箱提供的核心調試器kd.exe或者WinDbg.exe，對崩潰轉儲檔案、本地故障系統、遠程故障系統進行診斷和修複。

四、參考文獻

[1] 深入解析Windows作業系統，Mark E.Russinovich and David A.Solomon.

[2] Windows啟動過程.ppt，喻勇(www.yuyong.net).
[3] WindowsXP啟動過程.doc，佚名.

出處 ： Windows XP啟動過程及常見啟動故障 - 劉愛貴的專欄 - CSDN部落格