計算機系統是如何啓動的？

本文是操作系統系列的第一篇文章，以BIOS-MBR啓動過程爲例，介紹計算機系統是如何啓動的。原文鏈接，更多內容見公號機器學習與系統，歡迎與我互動~

概覽

計算機系統的啓動過程是非常複雜的，也誕生了很多流派，比如BIOS-MBR啓動方式、UEFI-GPT啓動方式等。不管是哪個流派，廣義上的啓動過程是類似的，以BIOS-MBR爲例，可以簡化爲如下步驟：

1. 計算機通電，硬件初始化
2. 執行BIOS，進行硬件檢測，確定啓動設備
3. 主引導記錄(MBR)，包含引導操作系統的相關信息
4. 啓動加載器，開始於MBR中的加載程序，結束語操作系統運行
5. 執行操作系統內核，計算機完成啓動

計算機通電

計算機通電後，CPU中的執行地址會初始化爲BIOS的地址，然後開始加載執行BIOS程序。這裏面的BIOS程序是筆記本廠商出廠時就寫入到ROM中的。至於ROM中BIOS的執行地址，則根據處理器手冊約定值進行設定。

不同的CPU在執行BIOS前的操作不同，以x86指令集架構CPU爲例，指令地址由CS、IP兩個寄存器構成，CS:IP初始化指向ROM中的一條指令，該指令是跳轉指令，它跳轉到BIOS的地址。而且，該CPU啓動過程中，還需要完成從實模式到保護模式的轉變。

BIOS

BIOS全稱基本輸入輸出系統(Basic Input/Output System)，它主要提供以下幾個功能：

1. 硬件接口，提供基本和硬件交互的接口，如基本的輸入/輸出功能
2. 進行硬件檢測，讀取硬件信息
3. 查找並加載可啓動設備

硬件接口

BIOS首先提供的就是基本的輸入/輸出功能，通過中斷的方式實現，比如INT 10h: 字符顯示、INT 13h: 磁盤扇區讀寫、INT 15h: 檢測內存大小和INT 16h: 鍵盤輸入。

通過這些功能，用戶可以設置啓動順序，也支撐後面的硬件自檢。

硬件自檢

BIOS運行後，首先進行通電自檢(Power-On Self-Test)。這一過程中，會對CPU、內存等設備進行檢測，查看是否有異常，如果有異常，會發出對應錯誤信息(如蜂鳴聲)。接着會對硬件進行初始化，比如：

• 初始化內存，讓CPU得以訪問這些硬件
• 監聽I/O總線，識別連接到計算機上的硬盤、網卡、PCI等設備

完成檢測之後，BIOS 會輸出檢測結果，相關的硬件配置也會被更新到 CMOS 存儲器上。

啓動設備

完成通電檢測之後，BIOS會尋找第一個啓動設備。

啓動設備裏存放着操作系統代碼和啓動配置信息。計算機可以有多個硬件啓動設備，如硬盤、優盤、DVD、網絡啓動設備等。BIOS根據開機檢測得到可啓動的設備列表，默認從第一個設備啓動，用戶可以進入BIOS設置啓動順序。下面是尋找並加載啓動設備的簡單過程：

1. 讀取啓動設備第一個扇區中的內容到內存，並跳轉到該地址執行扇區中的啓動代碼
2. 如果設備內容不合法，則回到BIOS，按照啓動順序加載下一個啓動設備。直到找到可啓動的設備，如果沒有，則發出異常。

主引導記錄

BIOS-MBR啓動流派中，啓動設備的第一個扇區的內容稱爲主引導記錄(MBR，Master Boot Record)，它的結構如下：

1. 第1-446字節：啓動過程比較簡單的話，這部分代碼會加載操作系統到內存，然後跳轉到內存上的OS執行代碼，完成啓動過程。如果啓動過程很複雜，啓動代碼會加載並執行另一個程序，由該程序完成後續啓動過程
2. 第447-510字節：設備分區表(Partition table)，描述4個主分區的詳細信息，包括該分區的起始位置、文件系統和可用狀態等
3. 第511-512字節：主引導記錄簽名(0x55和0xAA)，標誌當前扇區是否合法，不合法(不是55AA)，會跳回BIOS尋找下一個啓動設備

啓動代碼

簡單來講，啓動代碼負責把扇區中的操作系統代碼加載到內存，然後執行操作系統代碼。對於不同的操作系統，這一加載過程可能會有所不同。

這部分只有446字節，啓動代碼能做的事情是有限的，

啓動管理器

啓動管理器(BootLoader)主要工作是把操作系統代碼加載到內存，然後跳轉到內存執行操作系統代碼。

如果啓動過程很簡單，比如MBR中的啓動代碼直接加載執行操作系統代碼，那麼MBR中的啓動代碼就可以理解爲啓動管理器。

對於複雜的啓動過程，加載操作系統代碼由一系列軟件完成，我們就認爲這一些列軟件構成啓動管理器。它開始於MBR的啓動代碼，結束於系統內核的啓動。

操作系統

內存中的操作系統開始執行，首先運行的是內核程序。以Linux爲例，內核加載成功後，第一個運行的程序是/sbin/init，它根據配置文件(Debian系統是/etc/initab)產生init進程。這是Linux啓動後的第一個進程，pid進程編號爲1，其它進程都是它的後代。

然後，init線程加載系統中的各個模塊，比如窗口管理器和網絡管理器，直至執行用戶登錄程序，跳出登錄界面，等待用戶輸入用戶名和密碼。

至此，啓動過程完成。

相關問題

爲什麼BIOS不直接加載OS代碼？

1. 磁盤上是文件系統，文件系統多種多樣，BIOS程序很小，無法兼顧這些文件系統。
2. 所以實現一個能識別文件系統類型的加載程序(bootloader)，由bootloader來加載OS代碼。
3. bootloader按照約定存在磁盤的第一個扇區，並且遵循一定的格式。

爲什麼MBR啓動過程不支持大於2TB的硬盤？

主引導記錄中規定了啓動設備的分區和詳細信息，每個扇區大小爲512字節，MBR分區表中規定扇區數量的大小爲4字節。一個字節是8bit，4字節就是32bit，能表示的最大數是2^{32。這樣最大扇區數=512byte*2}32位=2TB。

綜上，MBR能支持的最大硬盤的大小取決於扇區的大小和扇區數。這兩個數得到的上限是2TB。

總結

BIOS-MBR啓動過程是經典的計算機啓動過程，它的很多思想對後續的啓動過程有很多影響。但是它不是唯一的啓動過程，因爲誕生比較早，存在一些缺陷，更現代的啓動流派是UEFI+GPT方式。

參考

• 計算機是如何啓動的？
• 計算機是如何啓動的？
• 清華大學-操作系統(2020春)
• 百度百科-主引導記錄