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兩種啟動(dòng)方式

傳統(tǒng)啟動(dòng)方式（LEGACY+MBR）

指?jìng)鹘y(tǒng)BIOS啟動(dòng)方式，存在一些不足：比如最大只支持2TB磁盤(pán)，磁盤(pán)最多四個(gè)分區(qū)，且不支持圖形操作

UEFI+GPT方式

是新式的啟動(dòng)方式，逐步取代傳統(tǒng)啟動(dòng)方式

相對(duì)于Legacy+mbr, 優(yōu)點(diǎn)在啟動(dòng)更快(不要開(kāi)機(jī)自檢)，最多可支持128個(gè)磁盤(pán)分區(qū)最大可支持18EB硬盤(pán)支持圖形操作

整體過(guò)程

1. 打開(kāi)計(jì)算機(jī)電源，計(jì)算機(jī)首先從BIOS開(kāi)始啟動(dòng)
2. BIOS對(duì)硬件進(jìn)行檢測(cè)，CPU從起始地址為0xFFF0處開(kāi)始執(zhí)行程序。BIOS自檢的內(nèi)容主要包括CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)等設(shè)備和即插即用設(shè)備。
3. 按BIOS中的設(shè)置將硬盤(pán)的主引導(dǎo)扇區(qū)（第一個(gè)扇區(qū)）加載到0x7C00，接著啟動(dòng)硬盤(pán)上安裝的引導(dǎo)程序LILO或GRUB來(lái)引導(dǎo)Linux。
4. Linux首先進(jìn)行內(nèi)核的引導(dǎo)，主要完成磁盤(pán)引導(dǎo)、機(jī)器狀態(tài)數(shù)據(jù)讀取、從實(shí)模式到保護(hù)模式的切換、數(shù)據(jù)段寄存器加載及中斷描述符表設(shè)置等。
5. 進(jìn)行系統(tǒng)初始化，執(zhí)行init程序。init程序調(diào)用rc.sysinit和rc等程序，而rc.sysinit和rc在完成系統(tǒng)初始化和運(yùn)行服務(wù)后返回init。
6. 啟動(dòng)mingetty，打開(kāi)終端供用戶登錄系統(tǒng)。

這樣就完成了從開(kāi)機(jī)到登錄的整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程。

詳細(xì)過(guò)程

BIOS

展示

主板上的BIOS芯片

作用

BIOS，Basic Input/Output System，基本輸入輸出系統(tǒng)。早期的 BIOS 存儲(chǔ)在內(nèi)存的 ROM 中，不會(huì)斷電消失；現(xiàn)在大多存儲(chǔ)在內(nèi)存的閃存（Flash Memory）中。

1. CPU 加電后會(huì)首先執(zhí)行 BIOS 程序，其中 POST（Power-On Self-Test）加電自檢程序是執(zhí)行的第一個(gè)例行程序，主要是對(duì) CPU、內(nèi)存等硬件設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和初始化。

2. BIOS 中斷調(diào)用即 BIOS 中斷服務(wù)程序，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件之間的一個(gè)可編程接口。開(kāi)機(jī)時(shí)，BIOS 會(huì)通知 CPU 各種硬件設(shè)備的中斷號(hào)，并提供中斷服務(wù)程序。軟件可以通過(guò)調(diào)用 BIOS 中斷對(duì)軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、鍵盤(pán)及顯示器等外圍設(shè)備進(jìn)行管理。

3. BIOS 會(huì)根據(jù)在 CMOS 中保存的配置信息來(lái)判斷使用哪種設(shè)備啟動(dòng)操作系統(tǒng)，并將 CPU 移交給操作系統(tǒng)使用。

流程

1. 在CPU加電之后，會(huì)把CPU所有寄存器的值設(shè)為默認(rèn)值，除了CS寄存器的值改為0xFFFF，其他寄存器的值都為0，這樣，根據(jù)CS 和 IP的值就可以找到指令的物理地址0xFFFF:0x0000，也就是0xFFFF0。

2. 這時(shí)CPU就開(kāi)始執(zhí)行在這個(gè)位置開(kāi)始執(zhí)行，這里存放的一條無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令JMP，跳轉(zhuǎn)到BIOS的真正啟動(dòng)代碼處。

3. BIOS首先先進(jìn)行POST（Power－On Self Test，加電后自檢）POST的主要檢測(cè)系統(tǒng)中一些關(guān)鍵設(shè)備是否存在和能否正常工作，例如內(nèi)存和顯卡等設(shè)備；如果硬件出現(xiàn)問(wèn)題，主板會(huì)發(fā)出不同含義的蜂鳴，啟動(dòng)中止。如果沒(méi)有問(wèn)題，屏幕就會(huì)顯示出CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)等信息。

4. BIOS 程序在執(zhí) 行一些必要的開(kāi)機(jī)自檢和初始化后，會(huì)將自己復(fù)制到從 0xA0000 開(kāi)始的物理內(nèi)存中并繼續(xù)執(zhí)行

5. 然后，BIOS 開(kāi)始搜尋可引導(dǎo)的存儲(chǔ)設(shè)備(即根據(jù)用戶指定的引導(dǎo)順序從軟盤(pán)、硬盤(pán)或是可移動(dòng)設(shè)備)。如果找到，則將存儲(chǔ)設(shè)備中的引導(dǎo)扇區(qū)讀入物理內(nèi)存 0x7C00 處，并跳轉(zhuǎn)到 0x7C00 繼續(xù)執(zhí)行，從而將 CPU 交給引導(dǎo)扇區(qū)中的 Boot 程序

引導(dǎo)（Boot）程序

引導(dǎo)順序

可以在BIOS配置引導(dǎo)設(shè)備，接下來(lái)以最常見(jiàn)的硬盤(pán)啟動(dòng)為例進(jìn)行說(shuō)明。

主引導(dǎo)扇區(qū)

硬盤(pán)被格式化之后被劃分為固定容量（一般是512B）的數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊被稱為一個(gè)扇區(qū)（sector）。

硬盤(pán)的第一個(gè)扇區(qū)被稱為主引導(dǎo)扇區(qū)(0磁頭0磁道1扇區(qū)，bootsector)，它在所有的系統(tǒng)分區(qū)之前不屬于任何系統(tǒng)分區(qū)。主引導(dǎo)扇區(qū)由主引導(dǎo)記錄（Master Boot Record，MBR）、磁盤(pán)分區(qū)表（Disk Partition Table，DPT）和引導(dǎo)記錄標(biāo)識(shí)（Boot Record ID）3個(gè)部分組成：

• MBR占用主引導(dǎo)扇區(qū)的前446個(gè)字節(jié)（bootloader），存放系統(tǒng)主引導(dǎo)程序，負(fù)責(zé)從活動(dòng)分區(qū)中裝載并運(yùn)行系統(tǒng)引導(dǎo)程序。
• DPT占用64個(gè)字節(jié)，記錄磁盤(pán)的基本分區(qū)信息。磁盤(pán)分區(qū)表分為4個(gè)分區(qū)項(xiàng)，每項(xiàng)16字節(jié)，分別記錄每個(gè)主分區(qū)的信息，因此最多可以有4個(gè)主分區(qū)。其中只有一個(gè)活動(dòng)分區(qū)（Active Partition）
• Boot Record ID占用2個(gè)字節(jié)。對(duì)于合法的引導(dǎo)扇區(qū)，它等于0xAA55，這是判別引導(dǎo)扇區(qū)是否合法的標(biāo)志

流程

1. BIOS此時(shí)去讀取硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的第一個(gè)扇區(qū)(MBR，512字節(jié))，然后執(zhí)行里面的代碼。實(shí)際上這里BIOS并不關(guān)心啟動(dòng)設(shè)備第一個(gè)扇區(qū)中是什么內(nèi)容，它只是負(fù)責(zé)讀取該扇區(qū)內(nèi)容、并執(zhí)行。至此，BIOS的任務(wù)就完成了，此后將系統(tǒng)啟動(dòng)的控制權(quán)移交到MBR部分的代碼。

2. MBR代碼從磁盤(pán)分區(qū)表找到活動(dòng)分區(qū)，通過(guò)BIOS將活動(dòng)分區(qū)的啟動(dòng)扇區(qū)讀入內(nèi)存，并跳轉(zhuǎn)到啟動(dòng)扇區(qū)的起始位置。

3. 硬盤(pán)的MBR裝載分區(qū)引導(dǎo)扇區(qū)，分區(qū)引導(dǎo)扇區(qū)也稱DBR，DBR是程序。

4. DBR裝入內(nèi)存后，即開(kāi)始執(zhí)行該引導(dǎo)程序段。

Boot loader

比較流行的引導(dǎo)加載程序（Boot loader）是LILO和Grub，Grub比LILO更好，所以只聊Grub。

GRUB（Grand Unified Boot Loader）擁有強(qiáng)大的交互式命令界面，支持網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)。GRUB負(fù)責(zé)裝入內(nèi)核并引導(dǎo)Linux系統(tǒng)。此外，還可以引導(dǎo)其他操作系統(tǒng)，如FreeBSD、DOS和Windows系列。

GRUB包含兩個(gè)階段:Stage 1和Stage2。Stage1被安裝到磁盤(pán)的MBR，它直接加載Stage2并執(zhí)行跳轉(zhuǎn)。Stage2主要功能是為了加載其他操作系統(tǒng)。Stage2首先把系統(tǒng)切換到保護(hù)模式，設(shè)置好C語(yǔ)言運(yùn)行環(huán)境。系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)首先查找配置文件（如grub.conf和menu.lst）。如果沒(méi)有，則執(zhí)行一個(gè)Shell，并等待用戶輸入命令。當(dāng)用戶輸入boot命令時(shí)，將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給操作系統(tǒng)。

加載內(nèi)核（Kernel）

當(dāng)Stage 2 bootloader已經(jīng)被加載到內(nèi)存中，文件系統(tǒng)被識(shí)別到，并且默認(rèn)的內(nèi)核鏡像和initrd鏡像被加載到內(nèi)存中。

內(nèi)核鏡像已經(jīng)準(zhǔn)備好，并且控制權(quán)從Stage 2 bootloader傳遞過(guò)來(lái)，啟動(dòng)過(guò)程的Kernel階段就可以開(kāi)始了。內(nèi)核鏡像并非直接可以運(yùn)行，而是一個(gè)被壓縮過(guò)的，系統(tǒng)讀取內(nèi)存映像，并進(jìn)行解壓縮操作。此時(shí)，屏幕一般會(huì)輸出“Uncompressing Linux”的提示。當(dāng)解壓縮內(nèi)核完成后，屏幕輸出“OK, booting the kernel”。

init

內(nèi)核初始化的最后一步就是啟動(dòng) pid 為 1 的 init 進(jìn)程，這個(gè)進(jìn)程是系統(tǒng)的第一個(gè)進(jìn)程，它負(fù)責(zé)產(chǎn)生其他所有用戶進(jìn)程。

1. init 以守護(hù)進(jìn)程方式存在，是所有其他進(jìn)程的祖先。init 進(jìn)程非常獨(dú)特，能夠完成其他進(jìn)程無(wú)法完成的任務(wù)。

2. init系統(tǒng)能夠定義、管理和控制 init 進(jìn)程的行為。它負(fù)責(zé)組織和運(yùn)行許多獨(dú)立的或相關(guān)的始化工作(因此被稱為 init 系統(tǒng))，從而讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入某種用戶預(yù)訂的運(yùn)行模式。

3. 僅僅將內(nèi)核運(yùn)行起來(lái)是毫無(wú)實(shí)際用途的，必須由 init 系統(tǒng)將系統(tǒng)代入可操作狀態(tài)。比如啟動(dòng)外殼 shell 后，便有了人機(jī)交互，這樣就可以讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行一些預(yù)訂程序完成有實(shí)際意義的任務(wù)。

總結(jié)

最終，Linux啟動(dòng)過(guò)程如下圖所示：

資料

1. bios
2. 【博客419】cpu實(shí)模式與保護(hù)模式
3. 操作系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程
4. 操作系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程
5. 【操作系統(tǒng)】操作系統(tǒng)的啟動(dòng)都干了些什么
6. BIOS加電自檢的過(guò)程是怎樣的
7. 淺談操作系統(tǒng)-啟動(dòng)過(guò)程
8. 關(guān)于硬盤(pán)主引導(dǎo)扇區(qū)的結(jié)構(gòu)及功能全面釋疑
9. 怎樣設(shè)置BIOS電腦啟動(dòng)順序？
10. 硬盤(pán)：主分區(qū)、擴(kuò)展分區(qū)、邏輯分區(qū)、活動(dòng)分區(qū)、系統(tǒng)分區(qū)、啟動(dòng)分區(qū)、引導(dǎo)扇區(qū)、MBR解析
11. LINUX 啟動(dòng)過(guò)程
12. 深入LINUX啟動(dòng)過(guò)程
13. LINUX啟動(dòng)過(guò)程詳解
14. 解讀LINUX啟動(dòng)過(guò)程
15. LINUX啟動(dòng)過(guò)程

最后

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往期文章回顧：

0. 設(shè)計(jì)模式
1. 招聘
2. 思考
3. 存儲(chǔ)
4. 算法系列
5. 讀書(shū)筆記
6. 小工具
7. 架構(gòu)
8. 網(wǎng)絡(luò)
9. Go語(yǔ)言