引言

“啟動”英文是boot，其本意是靴子的意思，這里boot是bootstrap（鞋帶）的縮寫，來自諺語"pull oneself up by one's bootstraps"，譯為“拽著鞋帶把自己拉起來”。

最早的時候，工程師們用它來比喻計算機啟動的矛盾過程：必須先運行程序，然后計算機才能啟動，但是計算機不啟動就無法運行程序。早期想盡各種辦法，把一小段程序裝進內存，然后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。

可以把計算機的整個啟動過程分為四個階段，如下圖所示：

對于計算機的啟動，大致流程可以描述為：

• 首先計算機上電后，讀取內存中的開機啟動程序（BIOS），可以將計算機的控制權理解為一個指針，
  • 硬件自檢時，指針指向硬件，判斷計算機硬件是否存在和正常工作
  • 隨后，指針指向啟動順序，讀取存放外部設備訪問的順序的內存，找到下一個程序的地址。
• 指針指向主引導記錄，讀取設備并判斷是都設備可以用于啟動。
• 指針指向硬盤啟動，找到存放操作系統的分區位置。
• 指針指向操作系統分區位置，將操作系統的內核載入內存，內核加載成功后，運行初始化程序，啟動操作系統。

第一階段：BIOS

上個世紀70年代初，”只讀內存”（read-only memory，縮寫為ROM）發明，開機程序被刷入ROM芯片，計算機通電后，第一件事就是讀取它。

硬件自檢（Power-On Self-Test，POST）

POST的主要任務就是在檢測系統中的一些關鍵設備是否存在和正常工作。POST結果：

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

啟動順序（Boot Sequence）

硬件自檢完成后，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”。

打開BIOS的操作界面，里面有一項就是”設定啟動順序”。

第二階段：主引導記錄（Master boot record，MBR）

BIOS按照”啟動順序”，把控制權轉交給排在第一位的儲存設備。
此時，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。

• 如果這512個字節的最后兩個字節是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”。

主引導記錄的結構

“主引導記錄”只有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 2 3

（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）。

第二部分”分區表”的作用，是將硬盤分成若干個區。

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”因此必須知道將控制權轉交給哪個區。

分區表的長度只有64個字節，里面又分成四項，每項16個字節。所以，一個硬盤最多只能分四個一級分區，又叫做”主分區”。

每個主分區的16個字節，由6個部分組成：

1 2 3 4 5 6

（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。四個主分區里面只能有一個是激活的。 （2） 第2-4個字節：主分區第一個扇區的物理位置（柱面、磁頭、扇區號等等）。 （3） 第5個字節：主分區類型。 （4） 第6-8個字節：主分區最后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。

最后的四個字節（”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，所以單個硬盤可利用的空間最大也不超過2TB。如果想使用更大的硬盤，只有2個方法：一是提高每個扇區的字節數，二是增加扇區總數。

第三階段：硬盤啟動

計算機的控制權就要轉交給硬盤的某個分區了，這里又分成三種情況。

情況A：卷引導記錄

四個主分區里面，只有一個是激活的。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，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里的位置。然后，計算機就會加載操作系統了。

情況B：擴展分區和邏輯分區

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

“擴展分區”，就是指這個區里面又分成多個區。這種分區里面的分區，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，EBR）。它里面也包含一張64字節的分區表，但是最多只有兩項（也就是兩個邏輯分區）。

計算機接著讀取第二個邏輯分區的第一個扇區，再從里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。如果操作系統確實安裝在擴展分區，一般采用下一種方式啟動。

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字節的機器碼之后，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。

第四階段：操作系統

控制權轉交給操作系統后，操作系統的內核首先被載入內存。

以Linux系統為例，先載入/boot目錄下面的kernel。內核加載成功后，第一個運行的程序是/sbin/init。它根據配置文件（Debian系統是/etc/initab）產生init進程。這是Linux啟動后的第一個進程，pid進程編號為1，其他進程都是它的后代。

然后，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。

參考：

深入理解計算機啟動的過程

計算機是如何啟動的？

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机启动流程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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