计算机原理-OS-系统上电后-BIOS引导过程-计算机的引导启动过程

原创 底层软件架构 2019-07-15 22:36:19

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之前有一篇文章介绍了《Intel计算机的主板与内存映射》，从而为本文设定了一个系统引导阶段的场景。引导（Booting）是一个复杂的，充满技巧的，涉及多个阶段，又十分有趣的过程。下图列出了此过程的概要：

引导过程概要

当你按下计算机的电源键后（现在别按！），机器就开始运转了。一旦主板上电，它就会初始化自身的固件(firmware)——芯片组和其他零零碎碎的东西 ——并尝试启动CPU。如果此时出了什么问题（比如CPU坏了或根本没装），那么很可能出现的情况是电脑没有任何动静，除了风扇在转。一些主板会在CPU 故障或缺失时发出鸣音提示，但以我的经验，此时大多数机器都会处于僵死状态。一些USB或其他设备也可能导致机器启动时僵死。对于那些以前工作正常，突然 出现这种症状的电脑，一个可能的解决办法是拔除所有不必要的设备。你也可以一次只断开一个设备，从而发现哪个是罪魁祸首。

如果一切正常，CPU就开始运行了。在一个多处理器或多核处理器的系统中，会有一个CPU被动态的指派为引导处理器（bootstrap processor简写BSP），用于执行全部的BIOS和内核初始化代码。其余的处理器，此时被称为应用处理器（application processor简写AP），一直保持停机状态直到内核明确激活他们为止。虽然Intel CPU经历了很多年的发展，但他们一直保持着完全的向后兼容性，所以现代的CPU可以表现得跟原先1978年的Intel 8086完全一样。其实，当CPU上电后，它就是这么做的。在这个基本的上电过程中，处理器工作于实模式，分页功能是无效的。此时的系统环境，就像古老的MS-DOS一样，只有1MB内存可以寻址，任何代码都可以读写任何地址的内存，这里没有保护或特权级的概念。

CPU上电后，大部分寄存器的都具有定义良好的初始值，包括指令指针寄存器（EIP），它记录了下一条即将被CPU执行的指令所在的内存地址。尽管此时的Intel CPU还只能寻址1MB的内存，但凭借一个奇特的技巧，一个隐藏的基地址（其实就是个偏移量）会与EIP相加，其结果指向第一条将被执行的指令所处的地址0xFFFFFFF0（长16字节，在4GB内存空间的尾部，远高于1MB）。这个特殊的地址叫做复位向量(reset vector)，而且是现代Intel CPU的标准。

主板保证在复位向量处的指令是一个跳转，而且是跳转到BIOS执行入口点所在的内存映射地址。这个跳转会顺带清除那个隐藏的、上电时的基地址。感谢芯片组提供的内存映射功能，此时的内存地址存放着CPU初始化所需的真正内容。这些内容全部是从包含有BIOS的闪存映射过来的，而此时的RAM模块还只有随机的垃圾数据。下面的图例列出了相关的内存区域：

引导时的重要内存区域

随后，CPU开始执行BIOS的代码，初始化机器中的一些硬件。之后BIOS开始执行上电自检过程（POST），检测计算机中的各种组件。如果找不到一个可用的显卡，POST就会失败，导致BIOS进入停机状态并发出鸣音提示（因为此时无法在屏幕上输出提示信息）。如果显卡正常，那么电脑看起来就真的运转起来了：显示一个制造商定制的商标，开始内存自检，天使们大声的吹响号角。另有一些POST失败的情况，比如缺少键盘，会导致停机，屏幕上显示出错信息。其实POST即是检测又是初始化，还要枚举出所有PCI设备的资源——中断，内存范围，I/O端口。现代的BIOS会遵循高级配置与电源接口（ACPI）协议，创建一些用于描述设备的数据表，这些表格将来会被操作系统内核用到。

POST完毕后，BIOS就准备引导操作系统了，它必须存在于某个地方：硬盘，光驱，软盘等。BIOS搜索引导设备的实际顺序是用户可定制的。如果找不到合适的引导设备，BIOS会显示出错信息并停机，比如"Non-System Disk or Disk Error"没有系统盘或驱动器故障。一个坏了的硬盘可能导致此症状。幸运的是，在这篇文章中，BIOS成功的找到了一个可以正常引导的驱动器。

现在，BIOS会读取硬盘的第一个扇区（0扇区），内含512个字节。这些数据叫做主引导记录（Master Boot Record简称MBR）。一般说来，它包含两个极其重要的部分：一个是位于MBR开头的操作系统相关的引导程序，另一个是紧跟其后的磁盘分区表。BIOS 丝毫不关心这些事情：它只是简单的加载MBR的内容到内存地址0x7C00处，并跳转到此处开始执行，不管MBR里的代码是什么。

主引导记录

这段在MBR内的特殊代码可能是Windows 引导装载程序，Linux 引导装载程序（比如LILO或GRUB），甚至可能是病毒。与此不同，分区表则是标准化的：它是一个64字节的区块，包含4个16字节的记录项，描述磁盘是如何被分割的（所以你可以在一个磁盘上安装多个操作系统或拥有多个独立的卷）。传统上，Microsoft的MBR代码会查看分区表，找到一个（唯一的）标记为活动（active）的分区，加载那个分区的引导扇区（boot sector），并执行其中的代码。引导扇区是一个分区的第一个扇区，而不是整个磁盘的第一个扇区。如果此时出了什么问题，你可能会收到如下错误信息："Invalid Partition Table"无效分区表或"Missing Operating System"操作系统缺失。这条信息不是来自BIOS的，而是由从磁盘加载的MBR程序所给出的。因此这些信息依赖于MBR的内容。

随着时间的推移，引导装载过程已经发展得越来越复杂，越来越灵活。Linux的引导装载程序Lilo和GRUB可以处理很多种类的操作系统，文件系统，以及引导配置信息。他们的MBR代码不再需要效仿上述"从活动分区来引导"的方法。但是从功能上讲，这个过程大致如下：

• 1、 MBR本身包含有第一阶段的引导装载程序。GRUB称之为阶段一。
• 2、 由于MBR很小，其中的代码仅仅用于从磁盘加载另一个含有额外的引导代码的扇区。此扇区可能是某个分区的引导扇区，但也可能是一个被硬编码到MBR中的扇区位置。
• 3、 MBR配合第2步所加载的代码去读取一个文件，其中包含了下一阶段所需的引导程序。这在GRUB中是"阶段二"引导程序，在Windows Server中是C:/NTLDR。如果第2步失败了，在Windows中你会收到错误信息，比如"NTLDR is missing"NTLDR缺失。阶段二的代码进一步读取一个引导配置文件（比如在GRUB中是grub.conf，在Windows中是boot.ini）。之后要么给用户显示一些引导选项，要么直接去引导系统。
• 4、 此时，引导装载程序需要启动操作系统核心。它必须拥有足够的关于文件系统的信息，以便从引导分区中读取内核。在Linux中，这意味着读取一个名字类似"vmlinuz-2.6.22-14-server"的含有内核镜像的文件，将之加载到内存并跳转去执行内核引导代码。在Windows Server 2003中，一部份内核启动代码是与内核镜像本身分离的，事实上是嵌入到了NTLDR当中。在完成一些初始化工作以后，NTDLR从"c:/Windows/System32/ntoskrnl.exe"文件加载内核镜像，就像GRUB所做的那样，跳转到内核的入口点去执行。

这里还有一个复杂的地方值得一提（这也是我说引导富于技巧性的原因）。当前Linux内核的镜像就算被压缩了，在实模式下，也没法塞进640KB的可用RAM里。我的vanilla Ubuntu内核压缩后有1.7MB。然而，引导装载程序必须运行于实模式，以便调用BIOS代码去读取磁盘，所以此时内核肯定是没法用的。解决之道是使用一种倍受推崇的"虚模式"。它并非一个真正的处理器运行模式（希望Intel的工程师允许我以此作乐），而是一个特殊技巧。程序不断的在实模式和保护模式之间切换，以便访问高于1MB的内存同时还能使用BIOS。如果你阅读了GRUB的源代码，你就会发现这些切换到处都是（看看stage2/目录下的程序，对real_to_prot 和 prot_to_real函数的调用）。在这个棘手的过程结束时，装载程序终于千方百计的把整个内核都塞到内存里了，但在这后，处理器仍保持在实模式运行。

至此，我们来到了从"引导装载"跳转到"早期的内核初始化"的时刻，就像第一张图中所指示的那样。在系统做完热身运动后，内核会展开并让系统开始运转。