操作系统引导过程

所谓操作系统的引导过程是将存放在硬盘上的静态的操作系统装载到内存中，并开始执行操作系统的过程。

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第一阶段：BIOS

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1.1 何为BIOS？

BIOS，英文“Basic Input Output System”，中文“基本输入输出系统”。百度百科中的解释如下：

它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序，它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。

BIOS保存在ROM芯片中，系统上电后第一件事就是运行BIOS程序（这不是必须的）。

疑问：计算机CPU如何在上电之后直接运行BIOS呢？

答：对于x86系列的CPU，一加电就将指令寄存器设置为：0xFFFF0000，表示CPU开始从0xFFFF0000这个内存中取出一条指令执行，通常在0xFFFF0000处是一条地址转跳指令，转向BIOS的入口。

1.2 硬件自检

BIOS程序首先检查，计算机硬件能否满足运行的基本条件，这叫做"硬件自检"（Power-On Self-Test），缩写为POST。如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动中止。

1.3 加载引导扇区

BIOS设置里有一个选项是Boot Sequence，可以设置外部存储设备的启动顺序，排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。

硬件自检完成后，BIOS的主要工作就是加载引导扇区。BIOS根据Boot Sequence中的顺序，将最前面的存储设备的引导扇区的内容加载到内存中，并跳转到引导程序的第一条指令。

BIOS将所检查外部存储设备的第一个扇区（512B）载入内存，放在0x00007C00处，如果一个扇区的最后两个字节是“55 AA”，那么这就是一个引导扇区，这个外部存储设备也就是一块可引导盘。通常这个大小为512B的程序就称为引导程序（boot）。如果最后两个字节不是“55 AA”，那么BIOS就检查下一个外部存储设备。如果没有其他启动介质，则显示 ”No ROM BASIC” ，然后死机。

第二阶段：MBR

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2.1 何为MBR？

MBR，英文“Master Boot Record”，中文“主引导记录”。MBR为存储设备的第一个扇区，也就是该存储设备的最前面的512字节。

计算机读取MBR的512字节内容，如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动，控制权于是被转交给"启动顺序"中的下一个设备。

2.2 MBR结构

MBR的主要作用是告诉计算机到存储设备的哪个位置去找操作系统。主要由三部分组成：

• 第1-446字节：调用操作系统的机器码。
• 第447-510字节：硬盘分区表（Disk Partition Table，DPT），将硬盘分成若干分区。
• 第511-512字节：主引导记录签名（0x55和0xAA）。

2.3 分区表

MBR中的分区表长度只有64个字节，里面分成4项，每项16个字节，所以一个硬盘最多只能分四个一级分区，又叫做"主分区"。每个区可以安装不同的操作系统，"主引导记录"因此必须知道将控制权转交给哪个区。

每个主分区的16个字节，由6个部分组成：

• 第1个字节：如果为0x80，就表示该主分区是激活分区，控制权要转交给这个分区。四个主分区里面只能有一个是激活的。
• 第2-4个字节：主分区第一个扇区的物理位置（柱面、磁头、扇区号等等）。
• 第5个字节：主分区类型。
• 第6-8个字节：主分区最后一个扇区的物理位置。
• 第9-12字节：该主分区第一个扇区的逻辑地址。
• 第13-16字节：主分区的扇区总数。

2.4 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。

第三阶段：硬盘启动

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计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区了。

3.1 卷引导记录

四个主分区里面，只有一个是激活的。计算机会读取激活分区的第一个扇区，叫做"卷引导记录"（Volume Boot Record，缩写为VBR，也可称为分区引导记录，Partition Boot Record，缩写为PBR）。

"卷引导记录"的主要作用是，寻找激活分区根目录下的NTLDR（XP）、bootmgr（Win7 above）、grldr（Grub）、btldr.mbr（BootLink）等可用于引导的程序。

3.2 启动管理器

"启动管理器"（boot loader）是系统预先安装的程序，由用户选择启动哪一个操作系统。"卷引导记录"搜索到激活分区中的"启动管理器"，将控制权交给"启动管理器"运行。

"启动管理器"寻找激活分区中的启动配置数据（如：Win7中的BCD文件、XP中的boot.ini文件），根据启动配置数据，在显示器上显示多操作系统选择画面。选择相应的操作系统，控制权交给操作系统。

Linux环境中，目前最流行的启动管理器是Grub。在windows下为启动管理器bootmgr（xp中的ntldr文件）。

第四阶段：操作系统

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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。

以Win7系统为例，整个操作系统引导过程如下：

1、电脑开机后，开始启动BIOS，开始BIOS自检。

2、通过自检后，bios找到硬盘上的主引导记录MBR.

3、MBR开始读取硬盘分区表DPT，找到活动分区，找到活动分区中的分区引导记录PBR，并且把控制权交给PBR.

4、PBR搜索活动区中的启动管理器bootmgr，找到后，PBR把控制权交给bootmgr(相当于xp里的ntldr文件)。

5、Bootmgr寻找活动分区中的boot文件夹中的BCD文件（启动配置数据，相当于xp里的boot.ini文件）。

6、找到BCD后，Bootmgr首先从BCD 中读取启动管理器bootmgr菜单的语言版本信息，然后再调用BOOTMGR与相应语言的BOOTMGR.EXE.MUI （在boot文件夹对应语言文件夹中）组成相应语言的启动菜单，之后在显示器上显示多操作系统选择画面。

7、如果存在多个操作系统而且系统设置的等待时间不是0，那么屏幕就显示多个操作系统的选择界面。如果没有多系统，那么直接进入windows 7系统，不显示选择界面。

8、选择windows 7系统后，bootmgr就会读取BCD里win7系统所在的盘里的windows\system32\winload.exe文件，并且将控制权交给winload.exe。

9、Winload.exe加载windows7内核、硬件、服务等，之后加载桌面等信息，从而启动整个windows 7系统。

上面几步可以概括一下就是：
BIOS--MBR--DPT--PBR--Bootmgr--BCD--系统选择界面---选择windows7------Winload.exe----内核加载等 --启动整个windows7系统

参考文献

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1、阮一峰：计算机是如何启动的？
2、百度百科：BIOS
3、百度经验：Windows 7开机启动流程