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操作系统引导过程

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

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

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

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,启动BIOS进行自检;

2、BIOS寻找主引导记录MBR;

3、MBR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,PBR把控制权交给bootmgr;

5、Bootmgr寻找活动分区中的boot文件夹中的BCD文件;

6、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

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