计算机开机启动过程详解

计算机的开机启动过程

(1) 启动过程总览

(二)详细说明

1、CPU 供电

按下主机的电源键后，计算机开始启动，为主板部分芯片和CPU进行供电。主板上电后开始初始化其固件。固件是一些固化在芯片组上的程序，它会试图去启动 CPU。如果启动失败（例如 CPU 坏了或没插好），计算机就会死机并给出错误提示（如某些版本的主板固件会发出蜂鸣警告）。这种状态称为 “zoombie-with-fans”。

如果前一个阶段未出错，就开始加电工作，在多 CPU 或多核 CPU 情况下，某一个 CPU 会被随机选取作为启动 CPU（bootstrap processor，BSP）运行 BIOS 内部的程序。其余的 CPU（application processor，AP）保持停机直到操作系统内核显式地使用它们。

2000 年以前的计算机主板上均使用 BIOS，如今绝大多数计算机采用的是 EFI（Mac 用的就是 EFI）或 UEFI。BIOS 正在逐步被淘汰。基于 EFI、UEFI 的开机过程与传统的BIOS不尽相同，本文将以传统的 BIOS，Intel CPU 为例介绍开机过程。

此时 CPU 工作模式为实模式，该模式下地址总线是 20 位，寻址范围是 0x00000~0xFFFFF 的 1M 范围。这也就解释了为什么 BIOS 的容量只有 1MB。

Intel CPU 用三种运行模式: 实模式、32 位保护模式、64 位保护模式。实模式: Intel 8086 的寻址方案，为了商业连续性，兼容了这古老的方案；保护模式: 采用了虚实地址转换方案。

BIOS 启动之初，内存是空的。此时 CPU 处于实模式，内存的地址映射均为硬连接的设备。内存映射图如下图所示:

2、重置向量

CPU 启动后其大多数寄存器会被初始化为预定的值，包括指令寄存器（Instruction register，IR），它保存着 CPU 将要执行指令的内存地址。此时 CPU 会有一个特殊行为，其会对 IR 的初始值加上一个基址寄存器的值，生成一个 32 位的地址 0xFFFFFFF0。之所以称为特殊行为，是因为实模式下 CPU 只能寻址 1MB 地址空间，而这个 32 位地址已经大于 1MB 的内存限制。因此，0xFFFFFFF0 也被称为重置向量（reset vector），参考上图 0xFFFFFFF0 处的标识。

于是，CPU 开始执行 0xFFFFFFF0 地址处的指令，该地址处是一条 JUMP 指令，这条指令清空了基址寄存器的值，并让指令跳回到 BIOS 开始处（物理地址为 0xF0000，参考上图 0xF0000 处的标识）以执行 BIOS。

BIOS 内部可以分成两个区块: code block（普通程序）、boot block（引导程序）。上电后，boot block 会先被执行，它会检查 code block 的代码是否正确，如果正确，就会转到 code block 继续执行下去。

3、BIOS 初始化

0xF0000 地址实际上是 BIOS 中的 boot block 的开始处。在这个阶段，会初始化部分硬件。系统的 CPU、USB 只有部分被初始化。

4、BIOS POST（加电自检）

初始化完成后，CPU 跳转到 0xA0000 地址处（参考上图 640KB 处）进行 BIOS 加电自检（power on self test, POST）。这个过程会检查计算机的各项组件，如 CPU、显卡、内存、鼠标、键盘等。如果找不到内存或者键盘都有可能让BIOS停止工作并且打印一些相关的错误信息，如果找不到显卡 BIOS 会发出蜂鸣警告

当 CPU 执行到 0xC0000 地址处（参考上图 768KB 处），开始寻找其他设备的 ROM，如果找到任何其他设备的 BIOS，它们也会被执行。

下一步，显卡就会显示 BIOS 界面，并进行更深入的检查。

5、BIOS 记录系统设定值

检查完成后，BIOS 会根据自己的"系统资源表"，对系统进行进一步确认，从而确定计算机配有哪些资源或设备。例如 BIOS 支持随插即用，它会检测并配置随插即用设备。

然后 BIOS 会遵循高级配置电源接口（Advanced Configuration Power Interface，ACPI）在内存中设置好一系列的数据来描述硬件信息，以便被操作系统内核利用。

7、MBR

到这一步，BIOS 开始尝试加载操作系统。它会从硬盘，光驱，软驱，网络等几个地方依次寻找操作系统（用户可以在 BIOS 设定中修改查找的优先级）。如果找不到操作系统，BIOS 会停机并给出错误信息。

假设在硬盘上找到了操作系统，它会首先读取硬盘上的大小为 512 Bytes 的 0号扇区，这个扇区被称为主引导记录（master boot record，MBR），其包含三部分：

a) 引导程序（Boot Loader）

b) 硬盘分区表（Partition Table）

c) 结束标志字

BIOS 读完磁盘上的 MBR 之后会把它拷贝到内存 0x7C00 地址处，然后 CPU 跳转到该内存地址执行 MBR 里的指令。事实上，被复制到物理内存的内容就是 Boot Loader。常见的 Boot Loader 有 grub、lilo、spfdisk。

8、硬盘启动

这时，计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区了，这里又分成三种情况。

情况A：卷引导记录

卷引导记录（Volume boot record，缩写为VBR）。

"卷引导记录"的主要作用是，告诉计算机，操作系统在这个分区里的位置。然后，计算机就会加载操作系统了。

情况B：扩展分区和逻辑分区

随着硬盘越来越大，四个主分区已经不够了，需要更多的分区。但是，分区表只有四项，因此规定有且仅有一个区可以被定义成"扩展分区"（Extended partition）。

所谓"扩展分区"，就是指这个区里面又分成多个区。这种分区里面的分区，就叫做"逻辑分区"（logical partition）。

计算机先读取扩展分区的第一个扇区，叫做"扩展引导记录"（Extended boot record，缩写为EBR）。它里面也包含一张64字节的分区表，但是最多只有两项（也就是两个逻辑分区）。

计算机接着读取第二个逻辑分区的第一个扇区，再从里面的分区表中找到第三个逻辑分区的位置，以此类推，直到某个逻辑分区的分区表只包含它自身为止（即只有一个分区项）。因此，扩展分区可以包含无数个逻辑分区。

但是，似乎很少通过这种方式启动操作系统。如果操作系统确实安装在扩展分区，一般采用下一种方式启动。

情况C：启动管理器

在这种情况下，计算机读取"主引导记录"前面446字节的机器码之后，不再把控制权转交给某一个分区，而是运行事先安装的"启动管理器"（boot loader），由用户选择启动哪一个操作系统。

8、操作系统

控制权转交给操作系统后，操作系统的内核首先被载入内存。

linux

以Linux系统为例，先载入/boot目录下面的kernel。内核加载成功后，第一个运行的程序是/sbin/init。它根据配置文件（Debian系统是/etc/initab）产生init进程。这是Linux启动后的第一个进程，pid进程编号为1，其他进程都是它的后代。

然后，init线程加载系统的各个模块，比如窗口程序和网络程序，直至执行/bin/login程序，跳出登录界面，等待用户输入用户名和密码。

至此，全部启动过程完成。

Windows

以Windows7 为例，当控制权转交到操作系统后，计算机会执行如下操作：

加载内核程序（Ntoskrnl.exe）、硬件抽象层（hal.dl）、注册表 SYSTEM 项(system32\configlsystem）、设备驱动，然后控制权交给 Ntoskrnl.exe
Ntoskmnl 初始化执行体子系统，并初抽化引导的和系统的设备驱动启动程序，为原生应用程序《如SMSS 等）初始化运行环境，控制权交给 SMSS.exe
SMSS 初始化注册表，创建系统环境变量，加载 Win32 子系统（Win32k.sys），启动子系统进程（CSRSS、Wininlt、Winlogon），控制权交给 Wininit.exe 和Winlogon.exe
Wininit 启动服务控制管理器（SCM），本地安全子系统（LSASS》，本地会话管理（LSM）
Winlogon 加乾登录界面程序（Logonur），显示交互式登录对话框。等待用户登录后，根据注册表配置启动 Userinit.exe 和 Explorer.exe
Userinit 启动用户所有自启动进程，津立网络连接，启动生效的组策略
Explorer 提供交互式图形界面，包括桌面和文件管理。

至此计算机启动就完成啦

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