计算机是怎样启动的？

柔光的暖阳◎ 2022-03-30 04:56 242阅读 0赞

从打开电源到開始操作。计算机的启动是一个很复杂的过程。

![bg2013021501.jpg][]

我一直搞不清楚，这个过程究竟是怎么回事。仅仅看见屏幕高速滚动各种提示...... 这几天，我查了一些资料。试图搞懂它。以下就是我整理的笔记。

零、boot的含义

先问一个问题。"启动"用英语怎么说？

回答是boot。但是，boot原来的意思是靴子，"启动"与靴子有什么关系呢？ 原来，这里的boot是bootstrap（鞋带）的缩写，它来自一句谚语：

> 　　"pull oneself up by one's bootstraps"

字面意思是"拽着鞋带把自己拉起来"，这当然是不可能的事情。最早的时候。project师们用它来比喻，计算机启动是一个非常矛盾的过程：必须先执行程序，然后计算机才干启动，可是计算机不启动就无法执行程序！

早期真的是这样，必须想尽各种办法，把一小段程序装进内存，然后计算机才干正常执行。所以，project师们把这个过程叫做"拉鞋带"，久而久之就简称为boot了。

计算机的整个启动过程分成四个阶段。

一、第一阶段：BIOS

上个世纪70年代初，"仅仅读内存"（read-only memory，缩写为ROM）发明。开机程序被刷入ROM芯片。计算机通电后，第一件事就是读取它。

![bg2013021502.jpg][]

这块芯片里的程序叫做"基本輸出輸入系統"（Basic Input/Output System）。简称为[BIOS][]。

1.1 硬件自检

BIOS程序首先检查，计算机硬件是否能满足执行的基本条件。这叫做"硬件自检"（Power-On Self-Test），缩写为[POST][]。

假设硬件出现故障。主板会发出不同含义的[蜂鸣][Link 1]，启动中止。

假设没有问题，屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。

![bg2013021503.png][]

1.2 启动顺序

硬件自检完毕后。BIOS把控制权转交给下一阶段的启动程序。

这时，BIOS须要知道，"下一阶段的启动程序"详细存放在哪一个设备。也就是说，BIOS须要有一个外部储存设备的排序，排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。

这样的排序叫做"启动顺序"（Boot Sequence）。

打开BIOS的操作界面。里面有一项就是"设定启动顺序"。

![bg2013021504.jpg][]

二、第二阶段：主引导记录

BIOS依照"启动顺序"，把控制权转交给排在第一位的储存设备。

这时。计算机读取该设备的第一个扇区。也就是读取最前面的512个字节。假设这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备能够用于启动；假设不是，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。

这最前面的512个字节，就叫做["主引导记录"][Link 2]（Master boot record，缩写为MBR）。

2.1 主引导记录的结构

"主引导记录"仅仅有512个字节。放不了太多东西。它的主要作用是，告诉计算机到硬盘的哪一个位置去找操作系统。

主引导记录由三个部分组成：

> 　　（1） 第1-446字节：调用操作系统的机器码。
> 
> 　　（2） 第447-510字节：分区表（Partition table）。
> 
> 　　（3） 第511-512字节：主引导记录签名（0x55和0xAA）。

当中，第二部分"分区表"的作用，是将硬盘分成若干个区。

2.2 分区表

硬盘分区有非常多[优点][Link 3]。考虑到每一个区能够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。

分区表的长度仅仅有64个字节，里面又分成四项。每项16个字节。所以，一个硬盘最多仅仅能分四个一级分区，又叫做"主分区"。

每一个主分区的16个字节，由6个部分组成：

> 　　（1） 第1个字节：假设为0x80。就表示该主分区是激活分区。控制权要转交给这个分区。
> 
> 四个主分区里面仅仅能有一个是激活的。
> 
> 　　（2） 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）。
> 
> 　　（3） 第5个字节：[主分区类型][Link 4]。
> 
> 　　（4） 第6-8个字节：主分区最后一个扇区的物理位置。
> 
> 　　（5） 第9-12字节：该主分区第一个扇区的逻辑地址。
> 
> 　　（6） 第13-16字节：主分区的扇区总数。

最后的四个字节（"主分区的扇区总数"），决定了这个主分区的长度。

也就是说。一个主分区的扇区总数最多不超过2的32次方。

假设每一个扇区为512个字节，就意味着单个分区最大不超过2TB。再考虑到扇区的逻辑地址也是32位，所以单个硬盘可利用的空间最大也不超过2TB。

假设想使用更大的硬盘，仅仅有2个方法：一是提高每一个扇区的字节数。二是[添加扇区总数][Link 5]。

三、第三阶段：硬盘启动

这时，计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区了，这里又分成三种情况。

3.1 情况A：卷引导记录

上一节提到。四个主分区里面。仅仅有一个是激活的。计算机会读取激活分区的第一个扇区，叫做["卷引导记录][Link 6]"（Volume boot record，缩写为VBR）。

"卷引导记录"的主要作用是，告诉计算机，操作系统在这个分区里的位置。

然后，计算机就会载入操作系统了。

3.2 情况B：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，须要很多其它的分区。可是，分区表仅仅有四项，因此规定有且仅有一个区能够被定义成"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。

这样的分区里面的分区。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"][Link 7]（Extended boot record，缩写为EBR）。

它里面也包括一张64字节的分区表。可是最多仅仅有两项（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仅仅包括它自身为止（即仅仅有一个分区项）。因此，扩展分区能够包括无数个逻辑分区。

可是。似乎非常少通过这样的方式启动操作系统。

假设操作系统确实安装在扩展分区，一般採用下一种方式启动。

3.3 情况C：启动管理器

在这样的情况下，计算机读取"主引导记录"前面446字节的机器码之后，不再把控制权转交给某一个分区，而是执行事先安装的["启动管理器"][Link 8]（boot loader），由用户选择启动哪一个操作系统。

Linux环境中，眼下最流行的启动管理器是[Grub][]。

![bg2013021505.png][]

四、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加载内存。

以Linux系统为例，先载入/boot文件夹以下的kernel。内核载入成功后，第一个执行的程序是/sbin/init。

它依据配置文件（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线程载入系统的各个模块，比方窗体程序和网络程序。直至运行/bin/login程序，跳出登录界面，等待用户输入username和password。

#     #

![bg2013081701.png][]

这个部分比較有意思。

由于在BIOS阶段，计算机的行为基本上被写死了。程序猿能够做的事情并不多；可是，一旦进入操作系统，程序猿差点儿能够定制全部方面。

所以。这个部分与程序猿的关系更密切。

第一步、载入内核

操作系统接管硬件以后。首先读入 /boot 文件夹下的内核文件。

![bg2013081702.png][]

以我的电脑为例。/boot 文件夹以下大概是这样一些文件：

>     　　$ ls /boot
>     　　
>     　　config-3.2.0-3-amd64
>     　　config-3.2.0-4-amd64
>     　　grub
>     　　initrd.img-3.2.0-3-amd64
>     　　initrd.img-3.2.0-4-amd64
>     　　System.map-3.2.0-3-amd64
>     　　System.map-3.2.0-4-amd64
>     　　vmlinuz-3.2.0-3-amd64
>     　　vmlinuz-3.2.0-4-amd64
>

第二步、启动初始化进程

内核文件载入以后。就開始执行第一个程序 /sbin/init。它的作用是初始化系统环境。

![bg2013081703.png][]

因为init是第一个执行的程序，它的进程编号（pid）就是1。其它全部进程都从它衍生，都是它的子进程。

第三步、确定执行级别

很多程序须要开机启动。它们在Windows叫做"服务"（service），在Linux就叫做"[守护进程][Link 9]"（daemon）。

init进程的一大任务，就是去执行这些开机启动的程序。

可是，不同的场合须要启动不同的程序，比方用作server时。须要启动Apache，用作桌面就不须要。Linux同意为不同的场合，分配不同的开机启动程序。这就叫做"[执行级别][Link 10]"（runlevel）。也就是说，启动时依据"执行级别"，确定要执行哪些程序。

![bg2013081704.png][]

Linux预置七种执行级别（0-6）。

一般来说。0是关机，1是单用户模式（也就是维护模式），6是重新启动。

执行级别2-5，各个发行版不太一样，对于Debian来说，都是相同的多用户模式（也就是正常模式）。

init进程首先读取文件 /etc/inittab，它是执行级别的设置文件。假设你打开它，能够看到第一行是这种：

>     　　id:2:initdefault:
>

initdefault的值是2，表明系统启动时的执行级别为2。

假设须要指定其它级别，能够手动改动这个值。

那么，执行级别2有些什么程序呢，系统怎么知道每一个级别应该载入哪些程序呢？......回答是每一个执行级别在/etc文件夹以下，都有一个相应的子文件夹。指定要载入的程序。

>     　　/etc/rc0.d
>     　　/etc/rc1.d
>     　　/etc/rc2.d
>     　　/etc/rc3.d
>     　　/etc/rc4.d
>     　　/etc/rc5.d
>     　　/etc/rc6.d
>

上面文件夹名中的"rc"，表示run command（执行程序）。最后的d表示directory（文件夹）。以下让我们看看 /etc/rc2.d 文件夹中究竟指定了哪些程序。

>     　　$ ls  /etc/rc2.d
>     　　
>     　　README
>     　　S01motd
>     　　S13rpcbind
>     　　S14nfs-common
>     　　S16binfmt-support
>     　　S16rsyslog
>     　　S16sudo
>     　　S17apache2
>     　　S18acpid
>     　　...
>

能够看到，除了第一个文件README以外，其它文件名称都是"字母S+两位数字+程序名"的形式。字母S表示Start。也就是启动的意思（启动脚本的执行參数为start）。假设这个位置是字母K，就代表Kill（关闭），即假设从其它执行级别切换过来，须要关闭的程序（启动脚本的执行參数为stop）。后面的两位数字表示处理顺序。数字越小越早处理。所以第一个启动的程序是motd，然后是rpcbing、nfs......数字同样时，则依照程序名的字母顺序启动。所以rsyslog会先于sudo启动。

这个文件夹里的全部文件（除了README），就是启动时要载入的程序。

假设想添加或删除某些程序。不建议手动改动 /etc/rcN.d 文件夹，最好是用一些专门命令进行管理（參考[这里][Link 11]和[这里][Link 12]）。

第四步、载入开机启动程序

前面提到，七种预设的"执行级别"各自有一个文件夹，存放须要开机启动的程序。不难想到，假设多个"执行级别"须要启动同一个程序，那么这个程序的启动脚本，就会在每个文件夹里都有一个拷贝。

这样会造成管理上的困扰：假设要改动启动脚本，岂不是每个文件夹都要改一遍？

Linux的解决的方法，就是七个 /etc/rcN.d 文件夹里列出的程序，都设为链接文件，指向另外一个文件夹 /etc/init.d ，真正的启动脚本都统一放在这个文件夹中。

init进程逐一载入开机启动程序，事实上就是执行这个文件夹里的启动脚本。

![bg2013081705.png][]

以下就是链接文件真正的指向。

>     　　$ ls -l /etc/rc2.d
>     　　
>     　　README
>     　　S01motd -> ../init.d/motd
>     　　S13rpcbind -> ../init.d/rpcbind
>     　　S14nfs-common -> ../init.d/nfs-common
>     　　S16binfmt-support -> ../init.d/binfmt-support
>     　　S16rsyslog -> ../init.d/rsyslog
>     　　S16sudo -> ../init.d/sudo
>     　　S17apache2 -> ../init.d/apache2
>     　　S18acpid -> ../init.d/acpid
>     　　...
>

这样做的还有一个优点，就是假设你要手动关闭或重新启动某个进程，直接到文件夹 /etc/init.d 中寻找启动脚本就可以。

比方，我要重新启动Apacheserver，就执行以下的命令：

>     　　$ sudo /etc/init.d/apache2 restart
>

/etc/init.d 这个文件夹名最后一个字母d，是directory的意思。表示这是一个文件夹，用来与程序 /etc/init 区分。

第五步、用户登录

开机启动程序载入完成以后。就要让用户登录了。

![bg2013081706.png][]

一般来说。用户的登录方式有三种：

> 　　（1）命令行登录
> 
> 　　（2）ssh登录
> 
> 　　（3）图形界面登录

这三种情况，都有自己的方式对用户进行认证。

（1）命令行登录：init进程调用getty程序（意为get teletype），让用户输入username和password。

输入完毕后，再调用login程序。核对password（Debian还会再多执行一个身份核对程序/etc/pam.d/login）。

假设password正确，就从文件 /etc/passwd 读取该用户指定的shell。然后启动这个shell。

（2）ssh登录：这时系统调用sshd程序（Debian还会再执行/etc/pam.d/ssh ），代替getty和login，然后启动shell。

（3）图形界面登录：init进程调用显示管理器。Gnome图形界面相应的显示管理器为gdm（GNOME Display Manager），然后用户输入username和password。

假设password正确。就读取/etc/gdm3/Xsession，启动用户的会话。

第六步、进入 login shell

所谓shell，简单说就是命令行界面。让用户能够直接与操作系统对话。用户登录时打开的shell，就叫做login shell。

![bg2013081707.png][]

Debian默认的shell是[Bash][]，它会读入一系列的配置文件。上一步的三种情况，在这一步的处理，也存在差异。

（1）命令行登录：首先读入 /etc/profile，这是对全部用户都有效的配置。然后依次寻找以下三个文件。这是针对当前用户的配置。

>     　　~/.bash_profile
>     　　~/.bash_login
>     　　~/.profile
>

须要注意的是。这三个文件仅仅要有一个存在，就不再读入后面的文件了。比方。要是 ~/.bash\_profile 存在，就不会再读入后面两个文件了。

（2）ssh登录：与第一种情况全然同样。

（3）图形界面登录：仅仅载入 /etc/profile 和 ~/.profile。

也就是说，~/.bash\_profile 无论有没有，都不会执行。

第七步，打开 non-login shell

老实说，上一步完毕以后，Linux的启动过程就算结束了。用户已经能够看到命令行提示符或者图形界面了。可是。为了内容的完整，必须再介绍一下这一步。

用户进入操作系统以后，经常会再手动开启一个shell。这个shell就叫做 non-login shell，意思是它不同于登录时出现的那个shell，不读取/etc/profile和.profile等配置文件。

![bg2013081708.png][]

non-login shell的重要性。不仅在于它是用户最常接触的那个shell，还在于它会读入用户自己的bash配置文件 ~/.bashrc。大多数时候。我们对于bash的定制，都是写在这个文件中面的。

你或许会问，要是不进入 non-login shell，岂不是.bashrc就不会执行了。因此bash 也就不能完毕定制了？其实，Debian已经考虑到这个问题了，请打开文件 ~/.profile，能够看到以下的代码：

>     　　if [ -n "$BASH_VERSION" ]; then
>     　　　　if [ -f "$HOME/.bashrc" ]; then
>     　　　　　　. "$HOME/.bashrc"
>     　　　　fi
>     　　fi
>

上面代码先推断变量 $BASH\_VERSION 是否有值，然后推断主文件夹下是否存在 .bashrc 文件，假设存在就执行该文件。

第三行开头的那个点，是source命令的简写形式，表示执行某个文件。写成"source ~/.bashrc"也是能够的。

因此。仅仅要执行～/.profile文件，～/.bashrc文件就会连带执行。

可是上一节的第一种情况提到过，假设存在～/.bash\_profile文件。那么有可能不会执行～/.profile文件。解决问题非常easy，把以下代码写入.bash\_profile即可了。

>     　　if [ -f ~/.profile ]; then
>     　　　　. ~/.profile
>     　　fi
>

这样一来，无论是哪种情况。.bashrc都会运行，用户的设置能够放心地都写入这个文件了。

Bash的设置之所以如此繁琐，是因为历史原因造成的。早期的时候，计算机执行速度非常慢，加载配置文件须要非常长时间，Bash的作者仅仅好把配置文件分成了几个部分。阶段性加载。

系统的通用设置放在 /etc/profile，用户个人的、须要被全部子进程继承的设置放在.profile，不须要被继承的设置放在.bashrc。

顺便提一下，除了Linux以外， Mac OS X 使用的shell也是Bash。可是。它仅仅载入.bash\_profile，然后在.bash\_profile里面调用.bashrc。并且，无论是ssh登录，还是在图形界面里启动shell窗体，都是如此。

文章来源---阮一峰的网络日志

[bg2013021501.jpg]: http://image.beekka.com/blog/201302/bg2013021501.jpg
[bg2013021502.jpg]: http://image.beekka.com/blog/201302/bg2013021502.jpg
[BIOS]: http://en.wikipedia.org/wiki/BIOS
[POST]: http://en.wikipedia.org/wiki/Power-on_self-test
[Link 1]: http://en.wikipedia.org/wiki/Power-on_self-test#Original_IBM_POST_beep_codes
[bg2013021503.png]: http://image.beekka.com/blog/201302/bg2013021503.png
[bg2013021504.jpg]: http://image.beekka.com/blog/201302/bg2013021504.jpg
[Link 2]: http://en.wikipedia.org/wiki/Master_boot_record
[Link 3]: http://en.wikipedia.org/wiki/Disk_partitioning#Benefits_of_multiple_partitions
[Link 4]: http://en.wikipedia.org/wiki/Partition_type
[Link 5]: http://en.wikipedia.org/wiki/GUID_Partition_Table
[Link 6]: http://en.wikipedia.org/wiki/Volume_Boot_Record
[Link 7]: http://en.wikipedia.org/wiki/Extended_partition
[Link 8]: http://en.wikipedia.org/wiki/Boot_loader#Modern_boot_loaders
[Grub]: http://en.wikipedia.org/wiki/GNU_GRUB
[bg2013021505.png]: http://image.beekka.com/blog/201302/bg2013021505.png
[bg2013081701.png]: http://image.beekka.com/blog/201308/bg2013081701.png
[bg2013081702.png]: http://image.beekka.com/blog/201308/bg2013081702.png
[bg2013081703.png]: http://image.beekka.com/blog/201308/bg2013081703.png
[Link 9]: http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%88%E6%8A%A4%E8%BF%9B%E7%A8%8B
[Link 10]: http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%BF%90%E8%A1%8C%E7%BA%A7%E5%88%AB
[bg2013081704.png]: http://image.beekka.com/blog/201308/bg2013081704.png
[Link 11]: http://www.debianadmin.com/manage-linux-init-or-startup-scripts.html
[Link 12]: http://www.debianadmin.com/remove-unwanted-startup-files-or-services-in-debian.html
[bg2013081705.png]: http://image.beekka.com/blog/201308/bg2013081705.png
[bg2013081706.png]: http://image.beekka.com/blog/201308/bg2013081706.png
[bg2013081707.png]: http://image.beekka.com/blog/201308/bg2013081707.png
[Bash]: http://zh.wikipedia.org/wiki/Bash
[bg2013081708.png]: http://image.beekka.com/blog/201308/bg2013081708.png