计算机的启动过程
最后一次更新时间：Wednesday, May 12th 2021, AM
0. 引言
给 PC 上电之后，按下开机键，是如何进入 Windows 的呢
按下开机键，主板接收到开机指令，首先开始 POST 上电自检，然后是加载 OS。这个过程称之为“引导”[1]。
引导的英文单词是“boot”，boot 并不是取于“靴子”，而是“鞋带” bootstrap 的缩写。
为什么会从“鞋带”上取词？这来自于一句谚语 Pull oneself up by one’s bootstraps，意为“拽着鞋带把自己拉起来”。这是一句很矛盾的话，然而用来形容计算机的启动却非常合适：必须先启动程序，计算机才能启动；然而不启动计算机，就无法运行程序。
工程师们利用嵌入式系统这种方法，把一小段程序装进内存，使得硬件上电自动执行程序，并幽默地把这个过程称之为“拉鞋带”。久而久之，这个过程就被简称为 boot 了。
另有一种说法，把 POST 自检称为“硬引导”，把 OS 加载称为“软引导”
在引导阶段，主要控制 PC 的是 固件（BIOS 或 UEFI）
1. POST开机自检
POST 是 Power-On Self-Test 的缩写，属于 BIOS 的功能之一。POST 是针对于 PC 硬件的检查，先检查计算机必须的硬件如 CPU，RAM 等，其次检查非必须的硬件如 ROM，PCI Express，CD-ROM，可移动介质等。自检通过之后，则进入下一阶段——加载 OS[2]。
2. 加载 OS
固件（BIOS 和 UEFI）按照规定，此时会把控制权交给排在第一位的存储设备。
PC 读取该设备的第一个扇区，即最前面的512字节。若该512字节的最后两个字节是 0X55 和 0XAA，表明该存储设备可以用于启动。若不是，则控制权顺移至下一个存储设备。
这里，以 MBR 格式的硬盘作为示例，进行说明。
（在 MBR 格式的硬盘中）第一个扇区中存放的内容有：
- 主引导记录 (Master Boot Record, MBR)：446 bytes [1, 446]
- 分区表 (Partition Table) ：64 bytes [447, 510]
- 主引导记录签名：2 bytes [511, 512]
在MBR格式的硬盘中，分区表的最大值固定为64字节，且分成4项，每项分得16个字节。即一个硬盘最多4个一级分区，又称作主分区。每个分区又由6部分组成：
- 字节(0, 1]：如果该字节为
0X80，就表示该分区激活，控制权要转交给该分区。4个分区中只能有一个激活分区。 - 字节[2, 4]：主分区第一个扇区的物理位置（柱面、磁头、扇区号等）
- 字节(4, 5]：主分区类型
- 字节[6, 8]：主分区最后一个扇区的物理位置
- 字节[9, 12]：该主分区第一个扇面的逻辑地址
- 字节[13, 16]：主分区的扇区总数
其中，最后4个字节“主分区的扇区总数”决定了这个主分区的长度。即一个主分区的扇区总数不能超过2^32次方。如果每个扇区为512字节，那么单个分区无法超过2TB。再考虑到扇区的逻辑地址也是32位，所以单个硬盘的最大空间也无法超过2TB[3]。
读取到激活的主分区之后，就可以从激活的主分区中启动 OS 了。这一部分就不详细说明了，每个操作系统都不一样。
在 PC 上，OS的加载通常分成两部分：第一阶段的主引导记录(Master Boot Record，MBR)，用于第二阶段引导位于某个分区中的（主分区）的引导。
这么设计的背后，其实是历史遗留问题。在以前，OS 比较简单的时候，用来引导 OS 的代码并不是很复杂，可以直接装载于 MBR 中。后来 OS 越来越复杂，MBR 放不下引导 OS 的代码，这才有了第二阶段引导[4][5]。
当然，随着如今计算机的发展，除了传统 BIOS 通过读取 MBR 的这种方式来引导 OS 的加载，还有 UEFI 这种新兴的技术，无需二次跳转，可以直接由 EFI 应用程序（.efi文件）来引导加载 OS。下图为传统 BIOS 与 UEFI 的一些对比。
除了这些 UEFI 还比传统 BIOS 多了 SecureBoot 机制，可以防止 PC 在启动时被攻击（有可能导致同盘的 Linux 无法顺利启动）。
现代的 BIOS 和 UEFI 都支持从多种设备上启动，如硬盘、光驱、USB 设备等。固件（BIOS 和 UEFI）允许用户自行设置启动顺序。
另请参阅
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