一、boot的含義

先問一個問題，”啟動”用英語怎麼說？

回答是boot。可是，boot原來的意思是靴子，”啟動”與靴子有什麼關係呢？ 原來，這裡的boot是bootstrap（鞋帶）的縮寫，它來自一句諺語：

"pull oneself up by one's bootstraps"

字面意思是”拽著鞋帶把自己拉起來”，這當然是不可能的事情。最早的時候，工程師們用它來比喻，計算機啟動是一個很矛盾的過程：必須先執行程式，然後計算機才能啟動，但是計算機不啟動就無法執行程式！

早期真的是這樣，必須想盡各種辦法，把一小段程式裝進記憶體，然後計算機才能正常執行。所以，工程師們把這個過程叫做”拉鞋帶”，久而久之就簡稱為boot了。

計算機的整個啟動過程分成四個階段。

二、第一階段：BIOS

上個世紀70年代初，”只讀儲存器”（read-only memory，縮寫為ROM）發明，開機程式被刷入ROM晶片，計算機通電後，第一件事就是讀取它。這塊晶片裡的程式叫做”基本輸入輸出系統”（Basic Input/Output System），簡稱為BIOS。

1.1 硬體自檢

BIOS中主要存放的程式包括：自診斷程式（通過讀取CMOS RAM中的內容識別硬體配置，並對其進行自檢和初始化）、CMOS設定程式（引導過程中，通過特殊熱鍵啟動，進行設定後，存入CMOS RAM中）、系統自動裝載程式（在系統自檢成功後，將磁碟相對0道0扇區上的載入程式裝入記憶體使其執行）和主要I/O驅動程式和中斷服務（BIOS和硬體直接打交道，需要載入I/O驅動程式）。

BIOS程式首先檢查，計算機硬體能否滿足執行的基本條件，這叫做”硬體自檢”（Power-On Self-Test），縮寫為POST。

如果硬體出現問題，主機板會發出不同含義的蜂鳴，啟動中止。如果沒有問題，螢幕就會顯示出CPU、記憶體、硬碟等資訊。

1.2 啟動順序

硬體自檢完成後，BIOS把控制權轉交給下一階段的啟動程式。

這時，BIOS需要知道，”下一階段的啟動程式”具體存放在哪一個裝置。也就是說，BIOS需要有一個外部儲存裝置的排序，排在前面的裝置就是優先轉交控制權的裝置。這種排序叫做”啟動順序”（Boot Sequence）。

開啟BIOS的操作介面，裡面有一項就是”設定啟動順序”。

三、第二階段：主引導記錄

BIOS按照”啟動順序”，把控制權轉交給排在第一位的儲存裝置。即根據使用者指定的引導順序從軟盤、硬碟或是可移動裝置中讀取啟動裝置的MBR，並放入指定的位置（0x7c000）記憶體中。

這時，計算機讀取該裝置的第一個扇區，也就是讀取最前面的512個位元組。如果這512個位元組的最後兩個位元組是0x55和0xAA，表明這個裝置可以用於啟動；如果不是，表明裝置不能用於啟動，控制權於是被轉交給”啟動順序”中的下一個裝置。

這最前面的512個位元組，就叫做”主引導記錄”（Master boot record，縮寫為MBR）。

2.1 主引導記錄的結構

“主引導記錄”只有512個位元組，放不了太多東西。它的主要作用是，告訴計算機到硬碟的哪一個位置去找作業系統。

主引導記錄由三個部分組成：

（1） 第1-446位元組：呼叫作業系統的機器碼。
（2） 第447-510位元組：分割槽表（Partition table）。
（3） 第511-512位元組：主引導記錄簽名（0x55和0xAA）。

其中，第二部分”分割槽表”的作用，是將硬碟分成若干個區。

2.2 分割槽表

硬碟分割槽有很多好處。考慮到每個區可以安裝不同的作業系統，”主引導記錄”因此必須知道將控制權轉交給哪個區。

分割槽表的長度只有64個位元組，裡面又分成四項，每項16個位元組。所以，一個硬碟最多隻能分四個一級分割槽，又叫做”主分割槽”。

每個主分割槽的16個位元組，由6個部分組成：

（1） 第1個位元組：如果為0x80，就表示該主分割槽是啟用分割槽，控制權要轉交給這個分割槽。四個主分割槽裡面只能有一個是啟用的。
（2） 第2-4個位元組：主分割槽第一個扇區的物理位置（柱面、磁頭、扇區號等等）。
（3） 第5個位元組：主分割槽型別。
（4） 第6-8個位元組：主分割槽最後一個扇區的物理位置。
（5） 第9-12位元組：該主分割槽第一個扇區的邏輯地址。
（6） 第13-16位元組：主分割槽的扇區總數。

最後的四個位元組（”主分割槽的扇區總數”），決定了這個主分割槽的長度。也就是說，一個主分割槽的扇區總數最多不超過2的32次方。

如果每個扇區為512個位元組，就意味著單個分割槽最大不超過2TB。再考慮到扇區的邏輯地址也是32位，所以單個硬碟可利用的空間最大也不超過2TB。如果想使用更大的硬碟，只有2個方法：一是提高每個扇區的位元組數，二是增加扇區總數。

四、第三階段：硬碟啟動

這時，計算機的控制權就要轉交給硬碟的某個分割槽了，這裡又分成三種情況。

3.1 情況A：卷引導記錄

上一節提到，四個主分割槽裡面，只有一個是啟用的。計算機會讀取啟用分割槽的第一個扇區，叫做”卷引導記錄”（Volume boot record，縮寫為VBR）。

“卷引導記錄”的主要作用是，告訴計算機，作業系統在這個分割槽裡的位置。然後，計算機就會載入作業系統了。

3.2 情況B：擴充套件分割槽和邏輯分割槽

隨著硬碟越來越大，四個主分割槽已經不夠了，需要更多的分割槽。但是，分割槽表只有四項，因此規定有且僅有一個區可以被定義成”擴充套件分割槽”（Extended partition）。

所謂”擴充套件分割槽”，就是指這個區裡面又分成多個區。這種分割槽裡面的分割槽，就叫做”邏輯分割槽”（logical partition）。

計算機先讀取擴充套件分割槽的第一個扇區，叫做”擴充套件引導記錄”（Extended boot record，縮寫為EBR）。它裡面也包含一張64位元組的分割槽表，但是最多隻有兩項（也就是兩個邏輯分割槽）。

計算機接著讀取第二個邏輯分割槽的第一個扇區，再從裡面的分割槽表中找到第三個邏輯分割槽的位置，以此類推，直到某個邏輯分割槽的分割槽表只包含它自身為止（即只有一個分割槽項）。因此，擴充套件分割槽可以包含無數個邏輯分割槽。

但是，似乎很少通過這種方式啟動作業系統。如果作業系統確實安裝在擴充套件分割槽，一般採用下一種方式啟動。

3.3 情況C：啟動管理器

在這種情況下，計算機讀取”主引導記錄”前面446位元組的機器碼之後，不再把控制權轉交給某一個分割槽，而是執行事先安裝的”啟動管理器”（boot loader），由使用者選擇啟動哪一個作業系統。

Linux環境中，目前最流行的啟動管理器是Grub。

對於grub而言，在MBR中的446位元組的載入程式屬於GRUB的開始執行程式。

五、第四階段：作業系統

控制權轉交給作業系統後，作業系統的核心首先被載入記憶體。

以Linux系統為例，先載入/boot目錄下面的kernel。核心載入成功後，第一個執行的程式是/sbin/init。它根據配置檔案（Debian系統是/etc/initab）產生init程序。這是Linux啟動後的第一個程序，pid程序編號為1，其他程序都是它的後代。

然後，init執行緒載入系統的各個模組，比如視窗程式和網路程式，直至執行/bin/login程式，跳出登入介面，等待使用者輸入使用者名稱和密碼。

至此，全部啟動過程完成。

六、其他細節部分

BIOS啟動細節：

a) 按下電源開關，電源就開始向主機板和其它裝置供電；當晶片組檢測到電源已經開始穩定供電了(當然從不穩定到穩定的過程只是一瞬間的事情)，它便撤去RESET訊號(如果是手工按下計算機面板上的Reset按鈕來重啟機器，那麼鬆開該按鈕時晶片組就會撤去RESET訊號)；CPU馬上就從地址FFFF:0000H 處開始執行指令，放在這裡的只是一條跳轉指令，跳到系統BIOS中真正的啟動程式碼處。

b) 系統BIOS的啟動程式碼首先進行POST(Power On Self Test，加電後自檢)。POST的主要檢測系統中一些關鍵裝置是否存在和能否正常工作，例如記憶體和顯示卡等裝置；由於POST是最早進行的檢測過程，此時顯示卡還沒有初始化，如果系統BIOS在進行POST的過程中發現了一些致命錯誤，例如沒有找到記憶體或者記憶體有問題(此時只會檢查640K常規記憶體)，那麼系統BIOS就會直接控制喇叭發聲來報告錯誤，聲音的長短和次數代表了錯誤的型別；在正常情況下，POST過程進行得非常快，幾乎無法感覺到它的存在。POST結束之後就會呼叫其它程式碼來進行更完整的硬體檢測。

c) 接下來系統BIOS將查詢顯示卡的BIOS。前面說過，存放顯示卡BIOS的ROM晶片的起始地址通常設在C0000H處，系統BIOS在這個地方找到顯示卡BIOS之後就呼叫它的初始化程式碼，由顯示卡BIOS來初始化顯示卡。此時多數顯示卡都會在螢幕上顯示出一些初始化資訊，介紹生產廠商、圖形晶片型別等內容，不過這個畫面幾乎是一閃而過。系統BIOS接著會查詢其它裝置的BIOS程式，找到之後同樣要呼叫這些BIOS內部的初始化程式碼來初始化相關的裝置。

d) 查詢完所有其它裝置的BIOS之後，系統BIOS將顯示出它自己的啟動畫面，其中包括有系統BIOS的型別、序列號和版本號等內容。

e) 接著系統BIOS將檢測和顯示CPU的型別和工作頻率，測試所有的RAM，並同時在螢幕上顯示記憶體測試的進度。可以在CMOS設定中自行決定使用簡單耗時少或者詳細耗時多的測試方式。

f) 記憶體測試通過之後，系統BIOS將開始檢測系統中安裝的一些標準硬體裝置，包括硬碟、CD-ROM、串列埠、並口和軟碟機等裝置，另外絕大多數較新版本的系統BIOS在這一過程中還要自動檢測和設定記憶體的定時引數、硬碟引數和訪問模式等。

g) 標準裝置檢測完畢後，系統BIOS內部支援即插即用的程式碼將開始檢測和配置系統中安裝的即插即用裝置。每找到一個裝置之後，系統BIOS都會在螢幕上顯示出裝置的名稱和型號等資訊，同時為該裝置分配中斷、DMA通道和I/O埠等資源。

h) 到這一步為止，所有硬體都已經檢測配置完畢了，多數系統BIOS會重新清屏並在螢幕上方顯示出一個表格，其中概略地列出了系統中安裝的各種標準硬體裝置，以及它們使用的資源和一些相關工作引數。

i) 接下來系統BIOS將更新ESCD(Extended System Configuration Data，擴充套件系統配置資料)。ESCD是系統BIOS用來與作業系統交換硬體配置資訊的一種手段，這些資料被存放在CMOS(一小塊特殊的RAM，由主機板上的電池來供電)之中。通常ESCD資料只在系統硬體配置發生改變後才會更新，所以不是每次啟動機器時都能夠看到“Update ESCD… Success”這樣的資訊。不過，某些主機板的系統BIOS在儲存ESCD資料時使用了與Windows 9x不相同的資料格式，於是Windows 9x在它自己的啟動過程中會把ESCD資料修改成自己的格式。但在下一次啟動機器時，即使硬體配置沒有發生改變，系統BIOS也會把ESCD的資料格式改回來。如此迴圈，將會導致在每次啟動機器時，系統BIOS都要更新一遍ESCD，這就是為什麼有些機器在每次啟動時都會顯示出相關資訊的原因。

j) ESCD更新完畢後，系統BIOS的啟動程式碼將進行它的最後一項工作：即根據使用者指定的啟動順序從軟盤、硬碟或光碟機啟動MBR。在這個過程中會按照啟動順序順序比較其放置MBR的位置的結尾兩位是否為0xAA55，通過這種方式判斷從哪個引導裝置進行引導。在確定之後，將該引導裝置的MBR內容讀入到0x7C00[1]的位置，並再次判斷其最後兩位，當檢測正確之後，進行階段1的引導。