系统启动过程详解

系统启动过程详解

首先让我们来了解一些基本概念。第一个是大家非常熟悉的BIOS（基本输入输出系统），BIOS是直接与硬件打交道的 底层代码，它为操作系统提供了控制硬件设备的基本功能。BIOS包括有系统BIOS（即常说的主板BIOS）、显卡BIOS和其它设备（例如IDE控制 器、SCSI卡或网卡等）的BIOS，其中系统BIOS是本文要讨论的主角，因为计算机的启动过程正是在它的控制下进行的。BIOS一般被存放在 ROM(只读存储芯片)之中，即使在关机或掉电以后，这些代码也不会消失。

第二个基本概念是内存的地址，我们的机器中一般安装有 32MB、64MB或128MB内存，这些内存的每一个字节都被赋予了一个地址，以便CPU访问内存。32MB的地址范围用十六进制数表示就是 0～1FFFFFFH，其中0～FFFFFH的低端1MB内存非常特殊，因为最初的8086处理器能够访问的内存最大只有1MB，这1MB的低端 640KB被称为基本内存，而A0000H～BFFFFH要保留给显示卡的显存使用，C0000H～FFFFFH则被保留给BIOS使用，其中系统 BIOS一般占用了最后的64KB或更多一点的空间，显卡BIOS一般在C0000H～C7FFFH处，IDE控制器的BIOS在 C8000H～CBFFFH处。

好了，下面我们就来仔细看看计算机的启动过程吧。

1 windows 9x

第 一步： 当我们按下电源开关时，电源就开始向主板和其它设备供电，此时电压还不太稳定，主板上的控制芯片组会向CPU发出并保持一个RESET（重置）信号，让 CPU内部自动恢复到初始状态，但CPU在此刻不会马上执行指令。当芯片组检测到电源已经开始稳定供电了（当然从不稳定到稳定的过程只是一瞬间的事情）， 它便撤去RESET信号（如果是手工按下计算机面板上的Reset按钮来重启机器，那么松开该按钮时芯片组就会撤去RESET信号），CPU马上就从地址 FFFF0H处开始执行指令，从前面的介绍可知，这个地址实际上在系统BIOS的地址范围内，无论是Award BIOS还是AMI BIOS，放在这里的只是一条跳转指令，跳到系统BIOS中真正的启动代码处。

第二步： 系统BIOS的启动代码首先要做的事情就是进行POST（Power－On Self Test，加电后自检），POST的主要任务是检测系统中一些关键设备是否存在和能否正常工作，例如内存和显卡等设备。由于POST是最早进行的检测过 程，此时显卡还没有初始化，如果系统BIOS在进行POST的过程中发现了一些致命错误，例如没有找到内存或者内存有问题（此时只会检查640K常规内 存），那么系统BIOS就会直接控制喇叭发声来报告错误，声音的长短和次数代表了错误的类型。在正常情况下，POST过程进行得非常快，我们几乎无法感觉 到它的存在，POST结束之后就会调用其它代码来进行更完整的硬件检测。

第三步： 接下来系统BIOS将查找显卡的BIOS，前面说过，存放显卡BIOS的ROM芯片的起始地址通常设在C0000H处，系统BIOS在这个地方找到显卡 BIOS之后就调用它的初始化代码，由显卡BIOS来初始化显卡，此时多数显卡都会在屏幕上显示出一些初始化信息，介绍生产厂商、图形芯片类型等内容，不 过这个画面几乎是一闪而过。系统BIOS接着会查找其它设备的BIOS程序，找到之后同样要调用这些BIOS内部的初始化代码来初始化相关的设备。

第四步： 查找完所有其它设备的BIOS之后，系统BIOS将显示出它自己的启动画面，其中包括有系统BIOS的类型、序列号和版本号等内容。

第五步： 接着系统BIOS将检测和显示CPU的类型和工作频率，然后开始测试所有的RAM，并同时在屏幕上显示内存测试的进度，我们可以在CMOS设置中自行决定使用简单耗时少或者详细耗时多的测试方式。

第六步： 内存测试通过之后，系统BIOS将开始检测系统中安装的一些标准硬件设备，包括硬盘、CD－ROM、串口、并口、软驱等设备，另外绝大多数较新版本的系统BIOS在这一过程中还要自动检测和设置内存的定时参数、硬盘参数和访问模式等。

第七步： 标准设备检测完毕后，系统BIOS内部的支持即插即用的代码将开始检测和配置系统中安装的即插即用设备，每找到一个设备之后，系统BIOS都会在屏幕上显示出设备的名称和型号等信息，同时为该设备分配中断、DMA通道和I/O端口等资源。

第八步： 到这一步为止，所有硬件都已经检测配置完毕了，多数系统BIOS会重新清屏并在屏幕上方显示出一个表格，其中概略地列出了系统中安装的各种标准硬件设备，以及它们使用的资源和一些相关工作参数。

第 九步： 接下来系统BIOS将更新ESCD（Extended System Configuration Data，扩展系统配置数据）。ESCD是系统BIOS用来与操作系统交换硬件配置信息的一种手段，这些数据被存放在CMOS（一小块特殊的RAM，由主 板上的电池来供电）之中。通常ESCD数据只在系统硬件配置发生改变后才会更新，所以不是每次启动机器时我们都能够看到“Update ESCD… Success”这样的信息，不过，某些主板的系统BIOS在保存ESCD数据时使用了与Windows 9x不相同的数据格式，于是Windows 9x在它自己的启动过程中会把ESCD数据修改成自己的格式，但在下一次启动机器时，即使硬件配置没有发生改变，系统BIOS也会把ESCD的数据格式改 回来，如此循环，将会导致在每次启动机器时，系统BIOS都要更新一遍ESCD，这就是为什么有些机器在每次启动时都会显示出相关信息的原因。

第 十步： ESCD更新完毕后，系统BIOS的启动代码将进行它的最后一项工作，即根据用户指定的启动顺序从软盘、硬盘或光驱启动。以从C盘启动为例，系统BIOS 将读取并执行硬盘上的主引导记录，主引导记录接着从分区表中找到第一个活动分区，然后读取并执行这个活动分区的分区引导记录，而分区引导记录将负责读取并 执行IO.SYS，这是DOS和Windows 9x最基本的系统文件。Windows 9x的IO.SYS首先要初始化一些重要的系统数据，然后就显示出我们熟悉的蓝天白云，在这幅画面之下，Windows将继续进行DOS部分和GUI（图 形用户界面）部分的引导和初始化工作。

如果系统之中安装有引导多种操作系统的工具软件，通常主引导记录将被替换成该软件的引导代码，这些代码将允许用户选择一种操作系统，然后读取并执行该操作系统的基本引导代码（DOS和Windows的基本引导代码就是分区引导记录）。

如果我们在DOS下按Ctrl＋Alt＋Del组合键（或从Windows中选择重新启动计算机）来进行热启动，那么POST过程将被跳过去，直接从第三步开始，另外第五步的检测CPU和内存测试也不会再进行。

2 windows nt

第一步： 首先计算机通电进行自检,并由 BIOS (即基本输入输出系统)完成基本硬件配置,然后读取硬盘的MBR(主引导记录)检查硬盘分区表以确定引导分区,并将引导分区上的操作系统引导扇区调入内存中执行,此处即执行NTLDR(操作系统加载器)文件。
Windows2000/XP 支持多重启动。它在安装时会首先将已存在的其它操作系统引导扇区保存为BOOTSECT.DOS文件(位于活动分区根目录下),并修改系统引导扇区,以便 系统启动时加载NTLDR文件,从而达到多重启动的目的。而Windows98则不具备这个功能，因此如果先装好Windows2000/XP后再装 Windows98会破坏掉Windows2000/XP的引导记录，导致2000/XP不能启动。

第二步： 进行出始化,NTLDR会把处理器从实模式转换为32位保护模式。

第 三步： 读取BOOT.INI文件。该文件位于活动分区根目录下,它的作用是使系统在启动过程中出现选择菜单,由用户选择希望启动的操作系统。如果选择启动 Windows2000/XP,NTLDR会继续引导进行以下过程;如果选择为非Windows2000/XP系统,NTLDR则会读取系统引导扇区副本 BOTSECT.DOS转入启动相应系统。

[BOOT LOADER]即操作系统加载器,指定系统选择菜单默认等待时间和默认引导的操作系统。可手工修改或在控制面板中修改，为了保险起见，建议在控制面板中修 改。依次选择控制面板-〉系统-〉高级->启动和故障恢复，即可更改相关设置。(在WindowsXP中还有另一种方法，即运行 msconfig（系统配置实用程序）。
[OPERATING SYSTEMS]段指定操作系统列表,由双引号括起来的部分就是列表所显示的内容,可任意修改,使其更加个性化。
形 如MULTI(0)DISK(0)RDISK(0)PARTITION(1)格式的语句被称为ARC路径,它的格式为:MULTI()——指定磁盘控制器 (若为SCSI控制器,则此处应替换为SCSI())；DISK()——指定SCSI设备编号(对于MULTI该处值始终为0)；RDISK()——指定 IDE设备编号(对于SCSI,此处被忽略)；PARTITION()——指定分区编号。除分区编号由1开始外,其余编号均从0开始。
参数 /FASTDETECT表示禁用串行鼠标检测,是系统默认值。还有几个常见参数:MAXMEM——指定Windows2000/XP可用内存容 量;BASEVIDEO——使用标准VGA显示驱动程序;NOGUIBOOT——启动过程中不显示图形屏幕;SOS——加载设备驱动程序时显示其名称。
在操作系统选择菜单中的中文字体由位于活动分区根目录下的BOOTFONT.BIN文件提供。

第四步： 系统加载NTDETECT.COM文件。由它来检测机器硬件,如并行端口,显示适配器等等,并将收集到的硬件列表返回NTLDR用于以后在注册表中注册保存。

第 五步： 如果Windows2000/XP有多个硬件配置文件,此时会出现选择菜单,等待用户确定要使用的硬件配置文件,否则直接跳过此步,启用默认配置。硬件配 置文件是指保存计算机特定硬件配置的系统文件。可以创建多个不同的硬件配置文件以满足计算机在不同场合的应用。可以依次选择控制面板-〉系统->硬 件-〉硬件配置文件作出修改。

第六步： 引导过程开始装载Windows2000/XP内核NTOSKRNL.EXE。这个文件位于Windows2000/XP安装文件夹下的SYSTEM32文件夹中。随后,硬件抽象层(HAL)被引导进程加载,完成本步骤。
硬件抽象层(HAL):隐藏特定平台的硬件接口细节,为操作系统提供虚拟硬件平台,使其具有硬件无关性,可在多种平台上进行移植。

第七步： 内核完成初始化,NTLDR将控制权转交Windows2000/XP内核,后者开始装载并初始化设备驱动程序,以及启动WIN32子系统和WINDOWS2000/XP服务。

第 八步： 开始登录进程。由WIN32子系统启动WINLOGON.EXE,并由它启动LOCAL SECURITY AUTHORITY(LSASS.EXE)显示登录对话框。用户登录后,WINDOWS2000/XP会继续配置网络设备和用户环境。最后,伴随着微软之 声和我们熟悉的个性化桌面,WINDOWS2000/XP漫长的启动过程终于完成。

3 linux

第一步： 硬件检测。当机器加电后它首先执行BIOS(基本输入输出系统)中的代码，BIOS首先执行加电自检程序(POST)，当自检通过程便完成了硬件的启动。 POST程序通过对内存及其他硬件的设备的诊断检测确定硬件的存在并可正确操作。BIOS是固化在芯片里的程序，执行这一过程一般只需要几秒钟。当自检完 成后BIOS按照系统COMS中设置的启动顺序搜寻有效的启动驱动器(这里我们以硬盘为例)，并读入系统引导扇区，并将系统控制权交给引导程序。

第 二步： 加载和执行引导程序。系统引导程序主要是把系统内核装载到内存，启动盘必须在第一个逻辑磁道上包含引导记录。这512个字节的扇区又被称作是引导扇区，在 系统完成加电自检后，BIOS从启动盘中将引导扇区读入到内存中。引导记录中包含了一些磁盘的物理特性的参数。在引导扇区被读入内存后，BIOS就能从这 里读取到启动盘的物理参数。一旦引导记录加载完毕，BIOS就交出系统的执行控制权，跳转到引导程序的头部执行。引导记录开头是一条无条件转移指令，它将 立即跳转到地址0x03e执行引导程序，在引导扇区中这个引导程序将从磁盘中读出其他几个更为复杂的程序并由它们加载系统内核。
Linux的 引导程序由汇编代码文件arch/i386/boot/bootsect.S生成，它利用对BIOS功能的调用将arch/i386/boot/下的 setup.S文件和内核映象加载到内存。i386的体系结构的CPU分保护模式和实模式两种，在实模式下只能使用低端的640K内存。系统在加载引导程 序时CPU是处在实模式下，而现在的内核映象文件一般都超过了640K的限制，即使是经过压缩过的内核映象，这个内核映象文件通常是bzImage,我们 在编译内核时通常要用到这个文件。由于bzImage超出了640K这一限制，所以linux设计了一个bootsect_helper子程序(定义在 arch/i386/boot/setup.S中)，引导程序通过循环调用bootsect_helper将内核映象一块一块的装入内存，当内核加载完 毕，系统跳转到setup.S的开始位置开始执行，setup.S仍在实模式下运行，主要功能是设置系统参数(如：内存、磁盘等),并为进入保护模式做准 备,最后进入到保护模式并跳转到内核映象文件的头部开始执行内核。这里提一下有关linux的引导程序lilo和grub，lilo和grub可以引导多 个系统，如果机器上要装多系统的话一般都会用到它们，这一引导程序也储存在引导扇区中或者存放在主引导记录中(MBR)，lilo和grub都许允用户自 己配置，它们在系统安装时建立了关于系统内核占用磁盘数据块的位置对照表。当用户选择启动linux系统后，同样也跳转到setup.S上运行。

第 三步： 内核初始化。当setup.S执行完后，CPU进行保护模式，并开始执行内核，如果内核是经过压缩的，那么首先执行arch/i386/boot /compressed目录下的head.S建立堆栈并解压内核映象文件，然后再转入arch/i386/kernel下的head.S。如果没有压缩则 直接转到arch/i386/kernel下的head.S开始执行。arch/i386/kernel/head.S程序负责数据区(BBS)、中断描 述表(IDT)、段描述表(GDT)、页表和寄存器的初始化。最后进入start_kernel()模块。此时系统运行在内核模式(0级别)下，转入到 init/main.c中的start_kernel()。
start_kernel()继续其他方面的初始化工作，主要是初始化系统的核心数据结构，主要包括：
setup_arch():执行与体系结构相关的设置。
trap_init():设置各种入口地址。
init_IRQ():初始化IRQ中断处理机制。
sched_init():设置并启动第一个进程init_task()。
softirq_init():对软中断子系统进行初始化。
console_init():初始化控制台、显示器.
init_modules():初始化kernel_module。
fork_init():定义系统最大进程数.
最后进入rest_init()函数并调用kernel_thread()创建init内核线程,进行系统配置。
init内核线程占用进程描述表的第一项，由它来创建其他完成系统初始他的进程。
init内核线程首先要销定内核，然后调用do_basic_setup()来初始化外部设备及加载驱动程序。
主要的初始化工作包括：
PCI总线初始化。
网络初始化。
文件系统初始化。
加载文件系统。
在 do_basic_setup()调用完成后，init()会释放初始化函数据占用的内存，并且打开/dev/console设备重新定向控制台,用系统 调用execve来执行用户态程序/sbin/init。至此，linux的内核初始化工作完成。下面的工作就由用户态的/sbin/init程序来完 成。init程序程读取/etc/inittab文件来决定它具体的工作。在inittab中比较重要的几条是：
id:5:initdefault 决定操作系统启动时缺省的执行级别(这里说讲的是系统的运行级别，而不同于CPU的级别)
si:sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit 执行/etc/rc.d/rc.sysinit的脚本。rc.sysinit主要的工作是激活交换分区、检查磁盘、加载硬件模块。
1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1 显示登录界面
至此，整个系统的引导过程就完成了。