计算机系统启动过程分析

1 简介

本文是2011年博客的重新整理。之前的博客参考CSDN。

关机状态按下计算机开关时，硬件使能电源(PSU)引脚，电源DC输出打开。DC输出稳定后，电源向主板发出Power Good信号。主板时钟芯片收到Power Good信号后，向CPU发出reset 信号。CPU检测到复位信号后，设置某些寄存器为特定值，其中寄存器CS和IP被预置为 CS:IP=0xF000:FFF0，并让CPU在实模式下运行，可知CPU将执行地址0xFFFF0处代码。硬件电路把地址0xFFFF0映射到ROM中，这个地址包含一条JUMP指令，将跳转到真实的ROM BIOS(Basic Input/Output System)处开始执行BIOS代码。BIOS例程完成通电自检 (POST，Power-on-self-test)、硬件初始化、读取CMOS配置，并提供一组中断驱动的低级过程供操作系统启动时使用。BIOS初始化完成后，将搜索一个操作系统来启动，按照用户配置，这个过程试图访问软盘、光盘、磁盘、USB、FLASH等存储芯片。在找到一个有效设备后，BIOS把该设备主引导记录（MBR，或者称作分区扇区，是0柱面 0磁头1扇区，LBA下称为0扇区，512字节）的内容拷贝到RAM中物理地址为0x7C00的位置，然后跳转至CS:IP=0x0000:0x7C00执行来自MBR的代码。一个有效设备MBR中最后两个字节的值为0x AA 55。MBR分为三部分，分别是指令代码、分区表DPT (Disk Partition Table)、幻数0x AA 55。一般在MBR中存放引导程序的一部分，由这部分指令读取引导程序剩余部分，加载整个引导程序到内存并继续运行引导程序。引导程序查询可引导的操作系统列表，提供给用户选择，或者在超过一个预设的时间值后，加载默认的操作系统项。操作系统加载完毕后，计算机执行权限交给操作系统，而引导程序则功成身退。操作系统从实模式开始，初始化各类资源与环境，最终向用户提供健壮、一致、高性能、功能完备的操作系统环境。

2 引导程序

2.1 功能

在BIOS完成硬件环境的初始化后，加载运行引导程序。引导程序的功能是从存储设备中加载操作系统，准备最小化的操作系统运行环境，并调用操作系统的启动过程。简单来讲，引导程序是计算机开机运行的第一个软件，它的使命是装载操作系统并运行。实际上，由于平台、存储介质、操作系统、文件系统等的多样性，引导程序都很复杂。此外，引导程序要求有更好的平台兼容性和健壮性。GRUB和LILO是LINUX系统的两款典型引导程序。GRUB在功能、安全性、互操作性方面更具优势，基本上已全面取代LILO。

2.2 GRUB

Linux系统不支持直接引导自举，需要一个独立的引导程序加载。GNU GRUB是X86平台使用最为广泛的引导程序。GRUB支持多平台（例如X86、PowerPC等）、多存储介质（如硬盘、软盘、光盘、U盘）、多操作系统（如Linux、Gnu Hurd等）、多重引导（如Windows）、多文件系统（例如Ext2、Ext3、Ext4、FAT32、NTFS）。支持模块化扩展，可按照配置文件及命令行方式加载操作系统。

GRUB使用和分析参考博文GRUB。