浅析现代计算机启动流程

前言

现代计算机的启动是一个漫长的流程，这个流程中会涉及到各种硬件的配置与交互，包括硬件状态检测、设备配置等，并最终引导到用户可操作的操作系统界面。

启动流程概述

现代计算机的启动流程总体上可以分成三个阶段：BIOS/UEFI启动阶段、引导加载程序以及启动操作系统。如下：

其中：

• BIOS/UEFI阶段：完成上电自检、基本硬件初始化，选择引导介质，并将控制权移交到引导介质上的加载程序；
• 引导加载程序：负责完成操作系统的选取，并引导对应的操作系统；
• 启动操作系统：操作操作正式开始接管计算机，并对硬件继续进行初始化、加载驱动以及拉起系统服务，并最终进入人机交互界面。

对于普通计算机而言，主要还是从硬盘引导操作系统。

磁盘分区格式

BIOS和UEFI引导方式与磁盘采用的分区格式有对应的关系，因此在说明计算机启动流程之前，有必要对磁盘分区格式进行一定的了解。通常，我们在使用磁盘时都会对磁盘进行分区，并在分区上创建文件系统之后进行使用，这里涉及到了磁盘是如何管理这些分区信息的。目前有两个标准的分区技术可以被使用：MBR分区格式和GPT分区格式。

MBR磁盘

早期计算机基本都是采用MBR磁盘格式，并配合传统BIOS引导方式进行启动。MBR，全称Master Boot Record，即主引导记录，是一种将磁盘引导程序和磁盘分区信息保存在磁盘第一个扇区（扇区大小512B）的磁盘分区格式，其结构示意如下：

主引导扇区存储的内容包括：

• 引导程序：基于传统BIOS方式启动的计算机，在上电时会从磁盘第一个扇区加载引导程序到内存指定位置，并进行启动。主引导记录可支持存储最长引导程序大小为448字节；
• DPT分区表：主引导记录使用64字节大小的空间，最多可记录4个分区的信息，这也是在windows系统下最多只能创建4个主分区的原因，但可以将其中主分区信息设置成扩展分区，扩展分区又可以继续划分成多个逻辑分区；
• 结束符：主引导扇区结束标识。

由于MBR只使用磁盘的第一个扇区来保存分区表信息，这导致了一系列限制，例如划分的主分区数量不能超过4，最大只能识别2TB左右的分区空间。此外，若第一个扇区遭到损坏，所有的分区信息都会丢失。

GPT磁盘

为了破除只有512个字节的MBR分区表的许多限制，技术人员对硬盘分区表的标准进行了升级，提出了新的 GUID Partition Table（全局唯一标识磁盘分区表），简称 GPT 分区表。GPT磁盘的结构示意如下：

对GPT磁盘的关键结构进行说明如下：

• 保护MBR：GPT磁盘为了保持与MBR磁盘的兼容性，将磁盘的第一个扇区定义为保护MBR。GPT分区技术本身不会使用到这个扇区。同时为了防止一些MBR磁盘工具破坏GPT磁盘的分区信息；
• GPT头：
• GPT分区表：从第2扇区到第33扇区，用于记录分区表信息；
• 分区区域：磁盘数据分区；
• GPT备份区域：包含GPT分区表备份和GPT头备份，若GPT头部和分区表遭到损坏，可以通过备份区域进行恢复。

隐藏分区

GPT磁盘还包含了两个隐藏分区：

• ESP分区：EFI系统分区，主要用于在EFI平台上引导操作系统，可以存放EFI引导程序、驱动程序以及系统维护工具等；
• MSR分区：微软保留分区，与Windows操作系统相关，其它操作系统可以不关心。

传统BIOS引导

BIOS，Basic Input System，即基本输入输出系统，是一组固化在计算机主板上一个只读存储器芯片的程序，保存着计算机最初始的系统配置信息、上电自检程序和系统初始化程序。

传统BIOS启动流程

BIOS的工作流程和功能可以分为以下几个主要方面：

1. 上电自检：系统上电后，会首先加载BIOS程序执行。BIOS程序启动后会进行上电自检；
2. 准备硬件：BIOS设置并准备好电脑的主要硬件，比如CPU和硬盘，为启动操作系统做好准备。
3. 引导过程：BIOS确定从哪个设备（硬盘、U盘等）启动电脑，并开始加载操作系统。
4. 系统设置：BIOS提供一个界面，让用户可以设置或更改电脑的硬件配置。

UEFI引导

UEFI，统一可扩展固件接口，用于替代传统BIOS的引导方式。

UEFI引导程序

UEFI引导方式主要与GPT磁盘进行配合完成计算机的启动。在前面提到过，GPT磁盘中包含了ESP隐藏分区，用于存放EFI引导程序。EFI引导程序会在计算机启动后，被UEFI固件加载继续执行引导流程。对于不同处理器平台，UEFI规范定义的EFI引导程序名称存在差异。

在此以Armv8平台为例，可以查看ESP分区（通常会被挂载到/boot/efi目录）下的EFI引导程序信息：

[root@localhost BOOT]# file BOOTAA64.EFI
BOOTAA64.EFI: MS-DOS executable PE32+ executable (EFI application) Aarch64 (stripped to external PDB), for MS Windows

UEFI启动流程

UEFI的启动流程相对简化了很多，在系统上电后，UEFI固件被加载执行，在UEFI完成基本的系统配置后，会从ESP分区查找指定的EFI引导程序并执行，随后所有的流程便由EFI引导程序接管。

引导加载程序

启动操作系统

相关参考

• 《Gentoo Handbook》