计算机是如何启动的
计算机是如何启动的？
一、boot的含义
在英语中，启动的英文单词是boot，这与它原本的意思-靴子似乎有很大区别，其实这来源于一句谚语：
1 | "pull oneself up by one's bootstraps" |
这句谚语的意思是通过鞋带把自己拉起来，这是一个不可能的事情，而计算机启动也如同这个一样是一件很复杂的事，首先我们都知道，计算机的运行离不开程序，但程序是要在计算机启动之后才能够运行的，但是计算机的启动又需要一个程序把硬盘中的操作系统加载到
内存[^1]中，这是一个相互矛盾的过程。
那么在RAM里什么都没有的时候，是哪个程序来完成对操作系统加载的任务呢，答案是Legacy BIOS（Basic Input/Output System） 和UEFI，前者是传统的启动程序，现代计算机大都以后者为主。
二、通过BIOS实现计算机启动
2.1 BIOS初始化硬件并加载主引导扇区
就如前面所说，在计算机启动之前是无法运行程序的，那是基于软件角度考虑的，既然软件走不通，那就只能走硬件方向了。在计算机通电之后，CPU的复位电路将其初始化为实模式（16位）[^2]，并从固定地址0xFFFF0（传统BIOS的入口点）开始执行第一条指令。
BIOS启动后，首先会进行POST（Power-On Self-Test），也就是硬件自检，计算机会检验硬件（如内存，硬盘等）是否能正常工作。
2.2 BIOS读取MBR（主引导记录）
首先我们要明白一点，BIOS没有能力把整个操作系统加载到内存去，BIOS只能够把放在MBR中的引导记录加载到内存执行，而具体怎么加载操作系统，则由各个操作系统的生产厂商所制定。也就是说，BIOS只加载并执行引导代码，而引导代码自行加载整个操作系统。
BIOS会读取磁盘的前512字节，也就是MBR，如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动。
1 | 分区表 |
2.3硬盘启动
这时，计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区了，这里又分成三种情况。
2.3.1 卷引导记录
第一阶段引导程序会定位并加载Volume boot record，缩写为VBR），VBR通常包含第二阶段引导程序，第二阶段引导程序会负责在磁盘上找到操作系统内核，进而加载操作系统。
2.3.2 扩展分区和逻辑分区
要引导的操作系统位于逻辑分区 里。随着硬盘越来越大，4个分区已经不够了，需要更多的分区。但是分区表只有4项，因此规定有且只有一个分区可以被定义成“扩展分区”（Extended Partition）。所谓“扩展分区”，就是指这个区里面又分为好多区。这种分区里面又有分区就叫做“逻辑分区”（Logical Partition）。扩展分区包含一个或多个逻辑分区。
计算机首先读取扩展分区的第一个扇区（即 EBR），这里包含一张 64 字节的分区表，但最多只能记录 2 个逻辑分区的信息。
若存在更多逻辑分区，计算机会继续读取第二个逻辑分区的第一个扇区（其内部也包含 EBR），从该分区表中找到第三个逻辑分区的位置。
依此类推，后续每个逻辑分区的 EBR 都会指引下一个逻辑分区的位置，直到某个逻辑分区的 EBR 中仅记录自身信息（即不再指向其他分区），整个逻辑分区链才结束。
2.3.3启动管理器
计算机读取“主引导记录”前面446字节的机器码后，不再把控制权交给某一个分区，而是运行事先安排好的“启动管理器”程序（比如 GRUB(用于Linux系统) 或 Windows Boot Manager (用于Windows系统），这意味着第二部分引导程序启动了。
至此，系统引导结束，操作系统内核登场。
2.4 加载操作系统内核（以Linux0.11为例）
对于Linux0.11操作系统而言，计算机将分3批次逐次加载操作系统的内核代码，第一批由BIOS 加载 MBR（含 bootsect.s）至 0x07C00，第二批，第三批在bootsect的指挥下，分别把其后的4个扇区^3和240个扇区加载到内存。
2.4.1 bootsect.s
1.首先bootsect要把自身从0x07C00的位置复制到0x90000这个位置。
2.下面bootsect会将setup程序加载到内存中，这个操作通过BIOS提供的int 0x13中断向量^4所指向的中断服务程序^5来完成。
3.加载system模块，system模块就是内核模块，包含库模块lib、内存管理模块mm、内核模块kernel、main.c和head.s程序。
2.4.2 setup.s
2.4.2.1 将system模块移动至内存起始位置
1 | do_move: |
这段程序的作用是将位于0x10000的内核程序移动至起始位置0x00000处（原BIOS中断响应表和中断响应程序存放处），这样做达到一个‘’破旧立新“的效果，为建立32位的操作系统做准备。
2.4.2.2 建立IDT(中断描述符表)^6和GDT（全局描述符表)^7
GDT是保护模式[^8]下管理段描述符的数据结构，对操作系统自身的运行以及管理调度进程有着重大意义。此时由于内核尚未真正运行起来，所以还没有进程，所以现在创建的GDT第一项为空，第二项为内核代码段描述符，第三项为内核数据段描述符其余为空。
IDT虽然已经设置，但由于中断服务程序已被关闭，实际为一张空表。
2.4.2.3 开启A20地址线
打开A20，意味着CPU可以进行32位寻址，最大寻址空间为4GB。
值得注意注意的是：A20地址线并不是打开保护模式的关键，只是在保护模式下，不打开A20地址线，你将无法访问到所有的内存。
2.4.3 head.s
2.4.3.1 初始化
1 | pg_dir: |
pg_dir标识内核分页机制完成后的内核起始位置，也就是物理内存的起始位置，head程序马上要在这里建立页目录表，为分页机制做准备，这一点非常重要，是内核能够掌握用户进程的基础之一。
1 | mov ax，#0x0001 ! protected mode (PE) bit |
setup程序通过上述代码将CPU工作方式设为保护模式，在保护模式下，一个最重要的特征就是要根据GDT决定后续执行哪里的程序。
2.4.3.2 建立新的IDT
以下是中断描述符的组成
1 | Offset：对应中断服务程序的段内偏移地址。 |
创建IDT表是重建保护模式下中断服务体系的开始，程序先让所有的中断描述符默认指向ignore_int这个位置（将来main函数里面还要让中断描述符对应具体的中断服务程序），之后还要对IDT寄存器的值进行设置，这种初始化操作，可以防止无意中覆盖代码或数据引起的逻辑混乱，以及对开发中的误操作给出及时的提示。
2.4.3.3 建立新的GDT
为什么要废除原来的GDT而重新设计一套GDT呢？因为原来GDT所在的位置是设计代码时在setup.s里面设置的数据，将来这个setup.s 所在的内存位置会在设计缓冲区时被覆盖掉，如果不改变位置，将来GDT的内容就会被缓冲区覆盖掉。
2.4.3.4 开启分页
head程序先要将页目录表和4个页表放在物理内存的起始位置，如下图：
head程序设置完页目录表后，Linux0.11在保护模式下支持的最大寻址地址为0xFFFFFF（16MB），此处将第4个页表（由pg3指向的位置）的最后一个页表项（pg3+4902指向的位置）指向寻址范围的最后一个页面，即0xFFF000开始的4KB字节大小的内存空间。
然后从高地址向低地址方向填写4个页表，依次指向内存从高地址向低地址方向的各个页面，下图为首次设置页表：
head.s 程序执行结束后，其内存如下：
2.5 加载内核流程总结
三、通过UEFI实现计算机启动
BIOS最初是为运行在8086处理器的IBM PC设计的，地址空间局限在1MB， UEFI（统一可扩展固件接口）是 BIOS 的替代方案，具有更强大的功能（如支持更大硬盘、图形化界面、安全启动等）。
与传统的BIOS不同，UEFI不依赖于BIOS的引导代码，UEFI从GPT磁盘上的ESP（EFI System Partition） 查找EFI application（通
常是bootloader） 。UEFI根据boot entries，选择EFI application（比如 GRUB(用于Linux系统) 或 Windows Boot Manager (用于
Windows系统）），并启动这个程序加载操作系统内核。
如果想进一步了解UEFI，推荐阅读这篇文章。
四、参考
https://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html
Linux内核启动(1，0.11版本)启动BIOS与加载内核_linux添加内核启动标签-CSDN博客
Linux内核启动(2，0.11版本)内核启动前的苦力活与内核启动-CSDN博客
[^1]: 准确来讲是RAM(Random Access Memory):随机读取存储器，内存就是一种常见的RAM
[^2]: 实模式（RealMode）是Intel80286和之后的80x86兼容CPU的操作模式（应该包括 8086）。实模式的特性是一个20位的存储器地址空间（2^20=1048576，即1MB的存储器 可被寻址），可以直接软件访问BIOS以及周边硬件，没有硬件支持的分页机制和实时多任务概念。从80286开始，所有的80x86CPU的开机状态都是实模式；8086等早期的CPU只有 一种操作模式，类似于实模式。实模式类似 “无门禁的房间”，只能访问 1MB 内存，且程序可直接操作硬件（风险高），就像早期计算机 “裸奔” 状态。
[^8]: 类似 “带门禁的大楼”，支持 32 位 / 64 位寻址（可访问更大内存），通过权限管理限制程序对硬件的直接操作（更安全），现代操作系统均运行在此模式。