系统启动流程
系统启动流程
操作系统是存储在磁盘中的，那计算机是如何启动操作系统，并执行它的代码呢？
为了了解操作系统的启动流程，首先介绍一些基本的概念。
一、基本概念
1.1 BIOS
在计算机主板上，有一个称为基本输入输出系统（Basic Input Output System，BIOS）的固件（即写入到硬件的软件程序）。
BIOS 是计算机系统在启动过程中主动执行的第一个程序。
1.2 扇区
磁盘上可以分为扇区（Sector）和磁道（Track）2种单位，其中扇区的物理大小设计有2种，分别是512字节和4K字节。
早期磁盘的第一个扇区（旧磁盘扇区都是512字节）里面含有重要的信息，它里面包括了2个信息：
- 主引导记录（Master Boot Record，MBR）：可以安装启动引导程序的地方，有446字节；
- 分区表（partition table）：用于记录整块磁盘的分区情况，有64字节。
1.3 MBR
主引导记录（Master Boot Record，MBR）是安装启动引导程序的地方，可以用于加载操作系统核心文件，从而启动操作系统。
例如，在电脑安装双系统以后，启动计算机时，经常可以看到系统选择菜单，询问我们选择启动哪个系统，这个选择程序就是启动引导程序。
1.4 分区表
分区表主要用于记录磁盘分区的状态，它仅有64字节，因此最多仅能记录4组记录，每组记录区记录了该区段的起始与结束的柱面号码。
- 分区只是针对那64个字节的分区表进行设置
- 分区表仅能写入4组分区信息
- 分区的最小单位是柱面（Cylinder）
- 分区类型只有2种：主要（Primary）分区和扩展（Extended）分区
- 主要分区和扩展分区最多只能4个
- 扩展分区最多只能有1个（操作系统限制）
- 主要分区不能再继续分区
- 扩展分区可以进一步分为更细的分区，这些分区称为逻辑分区（logical partition）
例如：
64字节分区表
| 分区 | 柱面 |
|---|---|
| P1 | 1 ~ 100（Primary） |
| P2 | 101 ~ 200（Primary） |
| P3 | 201 ~ 300（Primary） |
| P4 | 301 ~ 400（Extended） |
扩展分区记录
| 分区 | 柱面 |
|---|---|
| L1 | 301 ~ 330 |
| L2 | 331 ~ 360 |
| L3 | 361 ~ 400 |
1.5 DBR
实际上启动引导程序除了可以安装在MBR以外，还可以安装在每个分区的启动扇区（boot sector）中，这个扇区称为分区引导扇区（DOS Boot Record，DBR）。
DBR和MBR是比较类似的，MBR是整个磁盘的第一个扇区，而DBR则是分区的第一个扇区，它们都可以安装启动引导程序。
就比如说，整个磁盘分成了4个分区，分区情况如下：
| 分区 | 柱面 |
|---|---|
| P1 | 1 ~ 100（Primary） |
| P2 | 101 ~ 200（Primary） |
| P3 | 201 ~ 300（Primary） |
| P4 | 301 ~ 400（Primary） |
那么，对于整个磁盘来说，MBR就位于0号扇区上，每个分区的DBR则分别位于1号、101号、201号和301号扇区上。
二、启动流程
计算机的启动流程大致是这样的：
- BIOS：检查设备情况，并决定第一个可启动的设备
- MBR：识别可启动设备的第一个扇区内的主引导记录，执行启动引导程序
- 启动引导程序：读取内核文件，或者执行下一个启动引导程序
- 内核文件：启动操作系统
2.1 BIOS
在计算机启动时，首个执行的程序就是 BIOS，它的主要作用包括：
- 检查所安装的RAM数量
- 检测键盘、鼠标和其他基本设备是否已安装并正常响应
- 扫描总线并找出连在上面的所有设备
- 读取存储在CMOS存储器中的设备清单，并决定启动设备
- 读入启动设备的第一个扇区，识别主引导记录和分区表，并执行其中包含的启动引导程序
2.2 MBR
在BIOS执行的最后，会读取启动设备的主引导记录MBR，并开始执行其中的启动引导程序，此时BIOS就完成了它的任务，接下来就交给启动引导程序了。
启动引导程序的作用主要包括：
- 加载内核文件
- 转交给其他启动引导程序
1）加载内核文件
实际上就是加载操作系统文件，加载完成之后，就可以直接启动操作系统了，同时启动引导程序的任务也就完成了。
2）转交给其他启动引导程序
由于启动引导程序不仅可以安装在MBR上，还可以安装在DBR上。因此在某些情况下，MBR的启动引导程序可以将执行权转交给DBR中的启动引导程序。
就比如说，磁盘分为4个分区：
| 分区 | 柱面 |
|---|---|
| P1 | 1 ~ 100（Primary） |
| P2 | 101 ~ 200（Primary） |
| P3 | 201 ~ 300（Primary） |
| P4 | 301 ~ 400（Primary） |
假如P1和P2分区分别安装了Windows和Linux。那么启动过程中首先会执行MBR的启动引导程序，如果此时MBR启动引导程序提供了2个选项：
- 选项一 直接加载P1分区的Windows内核文件
- 选项二 转交给P2分区的DBR的启动引导程序
当选择了选项二，那么MBR启动引导程序就会加载P2分区的DBR，并执行DBR的启动引导程序，然后剩下的事就交给DBR的启动引导程序了。
这其实就是多重引导的工作原理，首先执行的肯定是MBR的启动引导程序，然后通过切换到DBR的启动引导程序，来实现多个操作系统的切换。
2.3 启动引导程序
启动引导程序的目的在于加载内核文件，它会识别磁盘内的文件系统格式，从而读取内核文件，启动操作系统。