内容简介:本文是计算机系统的启动过程是非常复杂的,也诞生了很多流派,比如BIOS-MBR启动方式、UEFI-GPT启动方式等。不管是哪个流派,广义上的启动过程是类似的,以BIOS-MBR为例,可以简化为如下步骤:
本文是 操作系统系列
的第一篇文章,以BIOS-MBR启动过程为例,介绍计算机系统是如何启动的。
概览
计算机系统的启动过程是非常复杂的,也诞生了很多流派,比如BIOS-MBR启动方式、UEFI-GPT启动方式等。不管是哪个流派,广义上的启动过程是类似的,以BIOS-MBR为例,可以简化为如下步骤:
1. 计算机通电,硬件初始化 2. 执行BIOS,进行硬件检测,确定启动设备 3. 主引导记录(MBR),包含引导操作系统的相关信息 4. 启动加载器,开始于MBR中的加载程序,结束语操作系统运行 5. 执行操作系统内核,计算机完成启动
计算机通电
计算机通电后,CPU中的执行地址会初始化为BIOS的地址,然后开始加载执行BIOS程序。这里面的BIOS程序是笔记本厂商出厂时就写入到ROM中的。至于ROM中BIOS的执行地址,则根据 处理器手册约定值进行设定 。
不同的CPU在执行BIOS前的操作不同,以x86指令集架构CPU为例,指令地址由CS、IP两个寄存器构成,CS:IP初始化指向ROM中的一条指令,该指令是跳转指令,它跳转到BIOS的地址。而且,该CPU启动过程中,还需要完成从实模式到保护模式的转变。
BIOS
BIOS全称基本输入输出系统(Basic Input/Output System),它主要提供以下几个功能:
1. 硬件接口,提供基本和硬件交互的接口,如基本的输入/输出功能 2. 进行硬件检测,读取硬件信息 3. 查找并加载可启动设备
硬件接口
BIOS首先提供的就是基本的输入/输出功能,通过中断的方式实现,比如 INT 10h: 字符显示
、 INT 13h: 磁盘扇区读写
、 INT 15h: 检测内存大小
和 INT 16h: 键盘输入
。
通过这些功能,用户可以设置启动顺序,也支撑后面的硬件自检。
硬件自检
BIOS运行后,首先进行通电自检(Power-On Self-Test)。这一过程中,会对CPU、内存等设备进行检测,查看是否有异常,如果有异常,会发出对应错误信息(如蜂鸣声)。接着会对硬件进行初始化,比如:
• 初始化内存,让CPU得以访问这些硬件 • 监听I/O总线,识别连接到计算机上的硬盘、网卡、PCI等设备
完成检测之后,BIOS 会输出检测结果,相关的硬件配置也会被更新到 CMOS 存储器上。
启动设备
完成通电检测之后,BIOS会寻找第一个启动设备。
启动设备里存放着操作系统代码和启动配置信息。计算机可以有多个硬件启动设备,如硬盘、优盘、DVD、网络启动设备等。BIOS根据开机检测得到可启动的设备列表,默认从第一个设备启动,用户可以进入BIOS设置启动顺序。下面是寻找并加载启动设备的简单过程:
1. 读取启动设备第一个扇区中的内容到内存,并跳转到该地址执行扇区中的启动代码 2. 如果设备内容不合法,则回到BIOS,按照启动顺序加载下一个启动设备。直到找到可启动的设备,如果没有,则发出异常。
主引导记录
BIOS-MBR启动流派中,启动设备的第一个扇区的内容称为 主引导记录
(MBR,Master Boot Record),它的结构如下:
1. 第1-446字节:启动过程比较简单的话,这部分代码会加载操作系统到内存,然后跳转到内存上的OS执行代码,完成启动过程。如果启动过程很复杂,启动代码会加载并执行另一个程序,由该程序完成后续启动过程 2. 第447-510字节:设备分区表(Partition table),描述4个主分区的详细信息,包括该分区的起始位置、文件系统和可用状态等 3. 第511-512字节:主引导记录签名(0x55和0xAA),标志当前扇区是否合法,不合法(不是55AA),会跳回BIOS寻找下一个启动设备
启动代码
简单来将,启动代码负责把扇区中的操作系统代码加载到内存,然后执行操作系统代码。对于不同的操作系统,这一加载过程可能会有所不同。
这部分只有446字节,启动代码能做的事情是有限的,
启动管理器
启动管理器(BootLoader)主要工作是把操作系统代码加载到内存,然后跳转到内存执行操作系统代码。
如果启动过程很简单,比如MBR中的启动代码直接加载执行操作系统代码,那么MBR中的启动代码就可以理解为启动管理器。
对于复杂的启动过程,加载操作系统代码由一系列软件完成,我们就认为这一些列软件构成 启动管理器
。 它开始于MBR的启动代码,结束于系统内核的启动 。
操作系统
内存中的操作系统开始执行,首先运行的是内核程序。以 Linux 为例,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,其它进程都是它的后代。
然后,init线程加载系统中的各个模块,比如窗口管理器和网络管理器,直至执行用户登录程序,跳出登录界面,等待用户输入用户名和密码。
至此,启动过程完成。
相关问题
为什么BIOS不直接加载OS代码?
1. 磁盘上是文件系统, 文件系统多种多样 ,BIOS程序很小,无法兼顾这些文件系统。 2. 所以实现一个能识别文件系统类型的加载程序(bootloader),由bootloader来加载OS代码。 3. bootloader按照约定存在磁盘的 第一个扇区 ,并且遵循一定的格式。
为什么MBR启动过程不支持大于2TB的硬盘?
主引导记录中规定了启动设备的分区和详细信息,每个扇区大小为512字节,MBR分区表中规定扇区数量的大小为4字节。一个字节是8bit,4字节就是32bit,能表示的最大数是2^32。这样最大扇区数=512byte*2^32位=2TB。
综上,MBR能支持的最大硬盘的大小取决于扇区的大小和扇区数。这两个数得到的上限是2TB。
总结
BIOS-MBR启动过程是经典的计算机启动过程,它的很多思想对后续的启动过程有很多影响。但是它不是唯一的启动过程,因为诞生比较早,存在一些缺陷,更现代的启动流派是UEFI+GPT方式。
References
[1]
计算机是如何启动的?: https://liamlin.me/2019/09/06/booting-a-pc
[2]
计算机是如何启动的?: http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html
[3]
清华大学-操作系统(2020春): https://next.xuetangx.com/learn/THU08091000267/THU08091000267/1516699/video/1405127
[4]
百度百科-主引导记录:
https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%BB%E5%BC%95%E5%AF%BC%E8%AE%B0%E5%BD%95
相关阅读:
欢迎扫码关注,分享操作系统和机器学习相关内容
以上就是本文的全部内容,希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助,也希望大家多多支持 码农网
猜你喜欢:本站部分资源来源于网络,本站转载出于传递更多信息之目的,版权归原作者或者来源机构所有,如转载稿涉及版权问题,请联系我们。