操作系統(tǒng)是怎么一步步啟動起來的？

一口Linux

今天來聊聊操作系統(tǒng)是如何啟動起來的。和我們寫的helloworld程序一樣，操作系統(tǒng)本身也是一個程序，被編譯后作為文件保存在磁盤上。

我們的程序是被操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存運(yùn)行的，在前一篇文章《程序是怎么一步步運(yùn)行起來的》中有過講解：

既然普通程序是被操作系統(tǒng)加載運(yùn)行起來的，那么操作系統(tǒng)又是被誰加載到內(nèi)存運(yùn)行起來的？

想知道問題的答案，我們要從內(nèi)存說起。內(nèi)存只有在加電后寫入數(shù)據(jù)才能保存信息：

內(nèi)存斷電后這些信息就丟失了：

當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動時(shí)內(nèi)存中一片荒蕪，顯然CPU不能執(zhí)行來自內(nèi)存中的指令：

那么在你按下開機(jī)按鍵時(shí)CPU執(zhí)行來自哪里的指令呢？答案是來自ROM或其它非易失性內(nèi)存:

這些存儲設(shè)備中保存了一小段指令，計(jì)算機(jī)啟動時(shí)CPU會執(zhí)行這一小段程序。CPU怎么知道這段程序保存在哪里呢？答案是CPU會從一個提前設(shè)置好的位置開始執(zhí)行指令，在IA-32架構(gòu)在CPU會從0xffff0這個位置開始執(zhí)行這段程序。這一小段程序就是我們熟悉的BIOS(Basic Input/Output System)，更現(xiàn)代的是UEFI(Unified Extensible Firmware Interface)。

BIOS這段程序有什么作用呢？這段程序用來檢查硬件，各個硬件是否能正常工作等，CPU、內(nèi)存、硬盤等，也就是所謂的自檢，如果恰好你拆過機(jī)器忘記把內(nèi)存條裝回去，那么這一小段程序就會檢測出系統(tǒng)中沒有安裝內(nèi)存并給出告警提示。

BIOS程序除了檢查硬件之外在最后一步有一項(xiàng)重要的工作就是識別出操作系統(tǒng)保存在了哪里，也就是找到所謂的啟動設(shè)備，這一般都是磁盤。找到啟動設(shè)備后開始把磁盤前512字節(jié)的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存，這512字節(jié)就是所謂的MBR：

其中包含了：

一段程序，這段程序的目的是加載其它程序，因此也被稱之為boot loader

磁盤分區(qū)表，識別磁盤的各個分區(qū)此時(shí)BIOS執(zhí)行完畢，CPU開始執(zhí)行MBR中的這段boot loader程序：

這段程序的目的是根據(jù)磁盤分區(qū)表加載一個更大的boot loader。

這個更大的boot loader功能更加強(qiáng)大復(fù)雜，如果你安裝的是多操作系統(tǒng)，那么當(dāng)這個更大的boot loader開始執(zhí)行時(shí)會給你一個選項(xiàng)，在這里可以用戶可以選擇啟動哪個操作系統(tǒng)。

在這里可以看到MBR中的boot loader程序加載了一個更大的boot loader程序，也因此這兩個boot loader分別被稱之為First stage boot loader和second stage boot loader，也就是一階段引導(dǎo)程序和二階段引導(dǎo)程序。

你可能會有疑問，為什么要有多階段引導(dǎo)程序呢？為什么不能一階段引導(dǎo)程序直接加載操作系統(tǒng)呢？原因就在于MBR這個512字節(jié)的引導(dǎo)程序功能過于簡陋，只能把磁盤中一段連續(xù)的數(shù)據(jù)copy到內(nèi)存，加載操作系統(tǒng)這種多文件組成的大型程序需要解析文件結(jié)構(gòu)，因此需要另一段功能更為強(qiáng)大的程序也就是二階段引導(dǎo)程序的幫助。二階引導(dǎo)最終識別出操作系統(tǒng)所在的位置并把操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存中。

此時(shí)CPU才開始真正執(zhí)行操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)和我們寫的程序一樣也有一個初始化的過程，這個過程的最后會創(chuàng)建出一系列用戶態(tài)進(jìn)程，此時(shí)操作系統(tǒng)系統(tǒng)啟動完畢可以接受用戶的輸入。

雙擊圖標(biāo)或者在命令行下輸入指令時(shí)操作系統(tǒng)開始把我們寫的程序加載到內(nèi)存運(yùn)行，這個過程就是在前一篇文章《程序是怎么一步步運(yùn)行起來的》當(dāng)然在現(xiàn)代使用UEFI的現(xiàn)代系統(tǒng)中就不需要MBR中的一階引導(dǎo)程序了。以上就是操作系統(tǒng)啟動的基本過程。end

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