人們常常每天使用計算機，但是計算機是如何啟動的?

boot的意思是靴子，”啟動”與靴子有什麼關系呢？ 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”拽着鞋帶把自己拉起來”，這當然是不可能的事情。最早的時候，工程師們用它來比喻，計算機啟動是一個很矛盾的過程：必須先運行程序，然後計算機才能啟動，但是計算機不啟動就無法運行程序！

早期真的是這樣，必須想盡各種辦法，把一小段程序裝進内存，然後計算機才能正常運行。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。

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，”隻讀内存”（read-only memory，縮寫為ROM）發明，開機程序被刷入ROM芯片，計算機通電後，第一件事就是讀取它。

1.1 硬件自檢

BIOS中主要存放的程序包括：自診斷程序（通過讀取CMOS RAM中的内容識别硬件配置，并對其進行自檢和初始化）、CMOS設置程序（引導過程中，通過特殊熱鍵啟動，進行設置後，存入CMOS RAM中）、系統自動裝載程序（在系統自檢成功後，将磁盤相對0道0扇區上的引導程序裝入内存使其運行）和主要I/O驅動程序和中斷服務（BIOS和硬件直接打交道，需要加載I/O驅動程序）。

BIOS程序首先檢查，計算機硬件能否滿足運行的基本條件，這叫做”硬件自檢”（Power-On Self-Test），縮寫為POST。

如果硬件出現問題，主闆會發出不同含義的蜂鳴，啟動中止。如果沒有問題，屏幕就會顯示出CPU、内存、硬盤等信息。

1.2 啟動順序

硬件自檢完成後，BIOS把控制權轉交給下一階段的啟動程序。

這時，BIOS需要知道，”下一階段的啟動程序”具體存放在哪一個設備。也就是說，BIOS需要有一個外部儲存設備的排序，排在前面的設備就是優先轉交控制權的設備。這種排序叫做”啟動順序”（Boot Sequence）。

打開BIOS的操作界面，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設備。即根據用戶指定的引導順序從軟盤、硬盤或是可移動設備中讀取啟動設備的MBR，并放入指定的位置（0x7c000）内存中。

這時，計算機讀取該設備的第一個扇區，也就是讀取最前面的512個字節。如果這512個字節的最後兩個字節是0x55和0xAA，表明這個設備可以用于啟動；如果不是，表明設備不能用于啟動，控制權于是被轉交給”啟動順序”中的下一個設備。

這最前面的512個字節，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”隻有512個字節，放不了太多東西。它的主要作用是，告訴計算機到硬盤的哪一個位置去找操作系統。

主引導記錄由三個部分組成

（1） 第1-446字節：調用操作系統的機器碼。

（2） 第447-510字節：分區表（Partition table）。

（3） 第511-512字節：主引導記錄簽名（0x55和0xAA）。

其中，第二部分”分區表”的作用，是将硬盤分成若幹個區。

2.2 分區表

硬盤分區有很多好處。考慮到每個區可以安裝不同的操作系統，”主引導記錄”因此必須知道将控制權轉交給哪個區。

分區表的長度隻有64個字節，裡面又分成四項，每項16個字節。所以，一個硬盤最多隻能分四個一級分區，又叫做”主分區”。

每個主分區的16個字節，由6個部分組成：

（1） 第1個字節：如果為0x80，就表示該主分區是激活分區，控制權要轉交給這個分區。四個主分區裡面隻能有一個是激活的。

（2） 第2-4個字節：主分區第一個扇區的物理位置（柱面、磁頭、扇區号等等）。

（3） 第5個字節：主分區類型。

（4） 第6-8個字節：主分區最後一個扇區的物理位置。

（5） 第9-12字節：該主分區第一個扇區的邏輯地址。

（6） 第13-16字節：主分區的扇區總數。

最後的四個字節（”主分區的扇區總數”），決定了這個主分區的長度。也就是說，一個主分區的扇區總數最多不超過2的32次方。

如果每個扇區為512個字節，就意味着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，所以單個硬盤可利用的空間最大也不超過2TB。如果想使用更大的硬盤，隻有2個方法：一是提高每個扇區的字節數，二是增加扇區總數。

三、第三階段：硬盤啟動

這時，計算機的控制權就要轉交給硬盤的某個分區了，這裡又分成三種情況。

3.1 情況A：卷引導記錄

上一節提到，四個主分區裡面，隻有一個是激活的。計算機會讀取激活分區的第一個扇區，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，告訴計算機，操作系統在這個分區裡的位置。然後，計算機就會加載操作系統了。

3.2 情況B：擴展分區和邏輯分區

随着硬盤越來越大，四個主分區已經不夠了，需要更多的分區。但是，分區表隻有四項，因此規定有且僅有一個區可以被定義成”擴展分區”（Extended partition）。

所謂”擴展分區”，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）。

計算機先讀取擴展分區的第一個扇區，叫做”擴展引導記錄”（Extended boot record，縮寫為EBR）。它裡面也包含一張64字節的分區表，但是最多隻有兩項（也就是兩個邏輯分區）。

計算機接着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隻包含它自身為止（即隻有一個分區項）。因此，擴展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操作系統。如果操作系統确實安裝在擴展分區，一般采用下一種方式啟動。

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字節的機器碼之後，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），由用戶選擇啟動哪一個操作系統。

Linux環境中，目前最流行的啟動管理器是Grub。

四、第四階段：操作系統

控制權轉交給操作系統後，操作系統的内核首先被載入内存。

以Linux系統為例，先載入/boot目錄下面的kernel。内核加載成功後，第一個運行的程序是/sbin/init。它根據配置文件（Debian系統是/etc/initab）産生init進程。這是Linux啟動後的第一個進程，pid進程編号為1，其他進程都是它的後代。

然後，init線程加載系統的各個模塊，比如窗口程序和網絡程序，直至執行/bin/login程序，跳出登錄界面，等待用戶輸入用戶名和密碼。

至此，全部啟動過程完成。

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