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计算机在启动一直到系统加载完成期间进行了哪些操作

news 2024/11/25 7:36:56

零扇区和分区的概念与联系

概念

扇区（Sector）：
- 扇区是硬盘中最小的物理存储单位，每个扇区通常为512字节（一些新硬盘为4KB）。
- 硬盘在制造时会被划分成许多扇区，这些扇区在硬盘中依次排列。数据被存储在扇区中，每次读写都以扇区为单位。
分区（Partition）：
- 分区是硬盘逻辑上的分块，可以包含多个扇区。
- 一个硬盘可以被划分为一个或多个分区。每个分区通常被操作系统当作一个独立的磁盘卷。
- 分区信息存储在硬盘的主引导记录（MBR）或GUID分区表（GPT）中，描述了每个分区的起始扇区、大小和文件系统类型等信息。

扇区与分区的关系

包含关系：分区是由多个扇区组成的逻辑存储单元。一个硬盘的第一个扇区（即MBR所在的扇区）通常用于记录分区信息。
分区表与扇区编号：MBR分区表中使用扇区编号指定分区的起始位置和长度，以便操作系统可以正确地读取和管理每个分区的数据。

例如，一个典型的硬盘可能包含数百万个扇区，通过分区操作将这些扇区划分为不同的分区（如C盘、D盘）。每个分区由特定的扇区范围构成，独立存储文件系统和数据。

一系统的两种引导方式

BIOS(Basic Input Output System)：基本输入输出系统。BIOS是一个固化在只读存储器(ROM)或者非易失性存储器(NvRAM)上的程序。

UEFI(Unified Extensible Firmware Interface): 统一的可扩展固件接口。UEFI是用模块化、高级语言构建的一个小型化系统。UEFI将替代传统式（Legacy）BIOS。EFI是UEFI的前身，通俗地说，EFI相当于1.0版，UEFI是2.0版。

BIOS和UEFI的区别：

1.1 启动模式

BIOS：使用传统的 MBR（Master Boot Record） 分区表，最多支持4个主分区，并且每个分区最大支持2TB存储空间。
UEFI：使用 GPT（GUID Partition Table） 分区表，支持128个分区（无需扩展分区），并且每个分区最大支持18EB（Exabyte，艾字节）存储空间，适合大容量磁盘。

1.2 启动过程

BIOS：通过称为 “启动扇区” 的代码执行启动。BIOS查找MBR，并将MBR中第一个扇区的启动代码加载到内存中，继而运行这个代码来引导操作系统。
UEFI：通过直接访问 EFI System Partition（ESP） 中的引导文件来启动系统。引导文件一般是 EFI/BOOT/BOOTX64.EFI，这样允许更灵活的启动方式，不再依赖MBR的启动扇区。

1.3 界面和配置方式

BIOS：采用键盘控制的字符界面（如蓝底白字的界面），通常只能使用方向键、回车键和功能键来进行配置，界面简单，功能相对有限。
UEFI：采用图形化界面支持鼠标操作，提供了更多配置选项，包括网络启动、磁盘检查等功能，使用体验更加现代化。

1.4 启动速度

BIOS：启动速度较慢，硬件初始化耗时较长。
UEFI：启动速度更快，尤其在开启 快速启动 或 安全启动 时，初始化流程简化，加载速度提升明显。

1.5 兼容性

BIOS：主要适用于旧版硬件和操作系统，不支持新的特性如大容量磁盘支持和现代安全启动。
UEFI：兼容性更强，可以兼容BIOS启动（称为 Legacy Boot），也可以使用安全启动（Secure Boot）保护系统不被恶意软件攻击。

1.6 安全性

BIOS：没有安全启动机制，系统更容易受到Rootkit等攻击。
UEFI：支持 Secure Boot（安全启动）机制，可以确保操作系统的引导加载程序是经过签名和验证的，增强了系统的安全性。

1.7 存储方式

BIOS：BIOS固件通常存储在主板上的ROM芯片中，升级难度较大。
UEFI：UEFI固件通常存储在NVRAM中，可以更方便地升级和维护。

BIOS是旧的启动固件标准，功能较少、速度较慢，但简单易用。而UEFI作为新的标准，支持更大的硬盘容量、更快的启动速度、图形化界面和更高的安全性，逐步取代了传统的BIOS，成为主流。

二两种不同的磁盘分区结构

2.1 MBR

MBR(Master Boot Record): 主引导扇区。通常，我们将包含MBR引导代码的扇区称为主引导扇区。因这一扇区中，引导代码占有绝大部分的空间，故而将习惯将该扇区称为MBR扇区（简称MBR）。

主引导扇区由三个部分组成(共占用512个字节)

主引导程序即主引导记录（MBR）（占446个字节）。
主要作用是检查分区表是否正确，并且在系统硬件完成自检以后将控制权交给磁盘上的引导程序（如GNU，GRUB）。
磁盘分区表项（DPT，Disk Partition Table) (共占用64个字节)
由四个分区表项构成（每个16个字节）。
结束标志（占2个字节）
注：MBR有两个含义，根据语境确定指的是第一个扇区还是主引导记录。

Note: 主分区、扩展分区、逻辑分区

磁盘分区表项共占用64个字节，因为每个分区信息需要16个字节，所以对于采用MBR型分区结构的磁盘，最多只能识别4分区（3个主分区+1个扩展分区或者 4个主分区）。
扩展分区最多只能有1个。
扩展分区（Extended）也是主要分区的一种，但它与主分区（Primary）的不同在于理论上可以划分为无数个逻辑分区。
只有主分区和逻辑分区才能被格式化作为数据访问的分区。

2.2 GPT

GUID分区表(简称GPT，使用GUID分区表的磁盘称为GPT磁盘)是源自EFI标准的一种较新的磁盘分区表结构的标准。与目前普遍使用的主引导记录(MBR)分区方案相比，GPT提供了更加灵活的磁盘分区机制。它具有如下优点：

支持2TB以上的大硬盘。
每个磁盘的分区个数几乎没有限制（Windows系统最多只允许划分128个分区）。
分区大小几乎没有限制。又是一个“几乎”。因为它用64位的整数表示扇区号，即 = 18,446,744,073,709,551,616。
分区表自带备份。在磁盘的首尾部分分别保存了一份相同的分区表，其中一份被破坏后，可以通过另一份恢复；
循环冗余检验值针对关键数据结构而计算，提高了数据崩溃的检测几率；
虽然MBR提供1字节分区类型代码，但GPT使用一个16字节的全局唯一标识符（GUID）值来标识分区类型，这使分区类型更不容易冲突；
每个分区可以有一个名称(不同于卷标)。

三 BIOS+MBR启动流程

BIOS+MBR启动流程的主要步骤依次为：上电自检（POST）-> 查找引导设备 -> 读取并执行MBR -> 读取并执行PBR -> 引导加载程序加载操作系统 -> 内核加载与硬件初始化 -> 启动用户空间 -> 操作系统加载完成

3.1 上电自检（POST - Power-On Self Test）

当计算机上电或重启时，BIOS开始执行“上电自检”。在此阶段，BIOS会对硬件设备进行基本检测，以确保硬件的正常工作。

检测CPU：检查CPU是否存在，是否能正常工作。
检测内存：对内存条进行初始化和检测，以确保内存可用。
检测显卡和输入输出设备：检查显卡是否存在以及基本工作是否正常，初始化键盘、鼠标等输入设备。
检查硬盘：检查系统硬盘是否存在，是否可以正常访问。

在上电自检完成后，如果所有硬件检测都通过，BIOS会开始寻找启动设备。

3.2 查找引导设备

BIOS在硬件检测完成后，开始按照设定的引导顺序查找存储设备（例如硬盘、USB设备、光盘驱动器等）。一旦找到包含有效引导程序的设备，BIOS就会将控制权转移给该设备上的引导程序。

引导顺序：BIOS中通常会设置一个启动顺序，可以指定优先尝试启动的设备，如硬盘、U盘、光盘等。
检查MBR：BIOS在硬盘的第一个扇区（LBA 0）查找MBR。MBR是硬盘的第一个扇区，大小为512字节，其中包含了启动加载程序和硬盘分区表。

3.3 读取和执行MBR（Master Boot Record）

BIOS将硬盘的MBR加载到内存中并执行。MBR包含两个重要的部分：

启动代码：MBR前446字节是启动代码区域，该代码会指引系统找到操作系统的启动分区，并将控制权转移给分区的引导扇区。
分区表：MBR的446-510字节是分区表（Partition Table），描述了硬盘上的主分区信息。
签名：最后两个字节（0x55AA）为签名，用于表示该扇区是有效的MBR。

MBR的启动代码会在内存中运行，并查找标记为“活动”（Active）的分区，这通常是主分区。找到后，MBR将控制权交给该分区的引导扇区。

3.4 读取并执行分区引导扇区（PBR - Partition Boot Record）

操作系统的引导扇区（PBR）位于“活动”分区的第一个扇区。PBR的任务是进一步加载并引导操作系统的核心文件。

引导代码：PBR包含特定的引导代码，该代码可以加载更高级的引导加载程序（如NTLDR、bootmgr、GRUB等）。
加载引导加载程序：PBR的引导代码通常会将控制权交给更高级的引导加载程序，例如 Windows 系统的 bootmgr，或 Linux 系统的 GRUB。

3.5 引导加载程序阶段

引导加载程序是操作系统的一个核心部分，其作用是加载系统内核并将控制权交给内核。不同操作系统使用不同的引导加载程序：

Windows：在Windows系统中，PBR会加载bootmgr，接着bootmgr会读取Boot Configuration Data (BCD)，选择加载的Windows操作系统版本并将控制权交给该系统的内核。
Linux：Linux系统常用GRUB作为引导加载程序。GRUB会提供启动菜单供用户选择操作系统，并根据配置文件grub.cfg加载Linux内核和初始化内存磁盘（initrd/initramfs）。

3.6 加载内核（Kernel Loading）

引导加载程序将内核加载到内存中。内核是操作系统的核心组件，负责管理硬件和系统资源。内核加载的过程如下：

初始化内存管理：内核首先初始化内存管理模块，用于管理物理内存和虚拟内存。
硬件检测与初始化：内核检测并初始化硬件设备，包括硬盘、网络设备、输入输出设备等。
加载驱动程序：内核加载必要的设备驱动，以确保硬件能正常使用。

3.7 启动用户空间（User Space Initialization）

内核加载完成后，会启动第一个用户空间进程（Linux中为init进程，Windows中为smss.exe），并依次启动系统的基本服务和后台程序。

初始化守护进程和服务：如系统日志服务、网络管理服务等。
加载图形用户界面：如果系统设置了图形界面，会加载图形化登录管理器，进入桌面环境。

3.8 操作系统加载完成

当所有核心服务和用户进程初始化完成后，系统进入空闲状态（idle），等待用户的操作。此时，系统启动完成，用户可以进行交互。

四 UEFI+GPT启动流程

BIOS+MBR启动流程的主要步骤依次为：电源自检 → 2. UEFI固件初始化 → 3. UEFI Boot Manager查找EFI引导文件 → 4. 引导加载程序运行 → 5. 加载操作系统内核 → 6. 内核初始化 → 7. 系统服务启动 → 8. 用户登录界面显示

4.1 上电自检 (Power-On Self Test, POST)

计算机通电后，首先进行硬件的自检（POST），检查CPU、内存、硬盘、显示器等是否正常。这个过程由UEFI固件负责。
如果自检未通过，系统会返回错误信息并停止启动；如果通过，则进入下一步。

4.2 UEFI 固件初始化

UEFI（统一可扩展固件接口）是一种现代化的固件接口，负责初始化硬件并执行启动引导操作。与传统BIOS不同，UEFI具有图形界面、支持鼠标和更灵活的编程环境。
PEI（Pre-EFI Initialization）： UEFI初始化分为多个阶段，PEI阶段初始化最基本的硬件，包括CPU、内存等，以便后续执行更复杂的操作。
DXE（Driver Execution Environment）： PEI阶段后，进入DXE阶段，此阶段加载UEFI驱动程序，初始化剩余的硬件（例如USB、网络、存储设备等）。

4.3 UEFI Boot Manager 加载

完成硬件初始化后，UEFI Boot Manager负责找到并加载操作系统的引导程序。
UEFI固件会读取硬盘上的GPT分区表，查找EFI系统分区（EFI System Partition，ESP），这是一个特殊的分区，专门存储启动加载程序。
ESP分区格式通常为FAT32，兼容性强，分区中包含UEFI引导文件（例如Windows的bootmgfw.efi或Linux的grubx64.efi）。

4.4 引导加载程序 (Boot Loader) 运行

找到ESP分区后，UEFI Boot Manager会执行对应的引导文件。引导文件因操作系统不同而不同，比如：
- Windows：bootmgfw.efi
- Linux：可以使用GRUB（GRand Unified Bootloader）等引导加载程序，例如grubx64.efi
引导加载程序负责进一步初始化系统，并将控制权交给操作系统内核。