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计算机启动过程

分类: 文章 • 2025-02-26 18:52:40
第一阶段：BIOS（Basic Input/Output System）

开机程序被刷入ROM芯片，计算机通电后先读取它。这块芯片里的程序叫做基本输入输出系統(BIOS)
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  1. 硬件自检
    BIOS程序首先检查计算机硬件能否满足运行的基本条件，即硬件自检POST(Power-On Self-Test)。如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动中止；如果没有问题，屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。
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  2. 启动顺序
    硬件自检完成后，BIOS把控制权转交给下一阶段的启动程序。
    BIOS需知道"下一阶段的启动程序"具体存放在哪一个设备。也就是说BIOS需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。这种排序叫做"启动顺序"(Boot Sequence)
    BIOS操作界面，可以设置"启动顺序"。
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第二阶段：主引导记录

BIOS按照启动顺序，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。如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是表明设备不能用于启动，控制权被转交给启动顺序中的下一个设备。

这最前面的512个字节叫做主引导记录（Master boot record，MBR）

  1. 主引导记录的结构
    主引导记录有512个字节，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）。

其中，第二部分"分区表"的作用，是将硬盘分成若干个区。

  1. 分区表

硬盘分区有很多好处，考虑到每个区可以安装不同操作系统，主引导记录必须知道将控制权转交给哪个区

分区表的长度只有64个字节，里面又分成四项，每项16个字节。所以一个硬盘最多只能分四个一级分区，又叫做主分区。

每个主分区的16个字节，由6个部分组成：

（1）第1个字节：如果为0x80，就表示该主分区是**分区，控制权要转交给这个分区。四个主分区里面只能有一个是**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。
（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。一个主分区的扇区总数最多不超过2的32次方。

如果每个扇区为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。如果想使用更大的硬盘，只有2个方法：一是提高每个扇区的字节数，二是增加扇区总数。

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。

  1. 情况A：卷引导记录

上一节提到，四个主分区里面，只有一个是**的。计算机会读取**分区的第一个扇区，叫做"卷引导记录"（Volume boot record，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。然后计算机就会加载操作系统了

  1. 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，需要更多的分区。但是，分区表只有四项，因此规定有且仅有一个区可以被定义成"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。这种分区里面的分区叫做逻辑分区（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"（Extended boot record，EBR）。它里面也包含一张64字节的分区表，但是最多只有两项（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只包含它自身为止（即只有一个分区项）。因此，扩展分区可以包含无数个逻辑分区。

但是似乎很少通过这种方式启动操作系统。如果操作系统确实安装在扩展分区，一般采用下一种方式启动

  1. 情况C：启动管理器

在这种情况下，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，而是运行事先安装的"启动管理器"（boot loader），由用户选择启动哪一个操作系统。

Linux环境中，目前最流行的启动管理器是Grub
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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载入内存。

以Linux系统为例，先载入/boot目录下面的kernel。内核加载成功后，第一个运行的程序是/sbin/init。它根据配置文件（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，其他进程都是它的后代。

然后，init线程加载系统的各个模块，比如窗口程序和网络程序，直至执行/bin/login程序，跳出登录界面，等待用户输入用户名和密码。

设置U盘启动

  1. 电脑插上U盘重启，按快捷键进入启动选项窗口，ThinkPad P50快捷键为F12
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  2. 选择USB HDD，如果无法U盘启动，需取消BIOS中禁止了U盘启动。
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    按TAB键切换栏目App Menu，然后选择Setup进入BIOS。
    1.在BIOS中，找到Security，选择Secure Boot，将Secure Boot选项设置为Disabled
    2.选择Startup，找到UEFI/Legacy Boot选项，设置为Legacy Only，并将CSM Support设置为YES
    3.然后找到Boot回车进入，在Boot页面中，将带有USB HDD字样的选项，通过键盘上的上下方向键和+号-号调整到第一的位置
    4.按F10保存BIOS设置，直接重启电脑即可U盘启动

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