從打開電源到開始操作，
計算機的啟動是一個非常復雜的過程。
我一直搞不清楚，這個過程到底是怎么回事，只看見屏幕快速滾動各種提示...... 這幾天，我查了一些資料，試圖搞懂它。下面就是我整理的筆記。
零、boot的含義
先問一個問題，'啟動'用英語怎么說？
回答是boot。可是，boot原來的意思是靴子，'啟動'與靴子有什么關系呢？原來，這里的boot是bootstrap（鞋帶）的縮寫，它來自一句諺語：
'pull oneself up by one's bootstraps'
字面意思是'拽著鞋帶把自己拉起來'，這當然是不可能的事情。最早的時候，工程師們用它來比喻，計算機啟動是一個很矛盾的過程：必須先運行程序，然后計算機才能啟動，但是計算機不啟動就無法運行程序！
早期真的是這樣，必須想盡各種辦法，把一小段程序裝進內存，然后計算機才能正常運行。所以，工程師們把這個過程叫做'拉鞋帶'，久而久之就簡稱為boot了。
計算機的整個啟動過程分成四個階段。
一、第一階段：BIOS
上個世紀70年代初，'只讀內存'（read-only memory，縮寫為ROM）發(fā)明，開機程序被刷入ROM芯片，計算機通電后，第一件事就是讀取它。
這塊芯片里的程序叫做'基本輸出輸入系統(tǒng)'（Basic Input/Output System），簡稱為BIOS。
1.1 硬件自檢
BIOS程序首先檢查，計算機硬件能否滿足運行的基本條件，這叫做'硬件自檢'（Power-On Self-Test），縮寫為POST。
如果硬件出現(xiàn)問題，主板會發(fā)出不同含義的蜂鳴，啟動中止。如果沒有問題，屏幕就會顯示出CPU、內存、硬盤等信息。
1.2 啟動順序
硬件自檢完成后，BIOS把控制權轉交給下一階段的啟動程序。
這時，BIOS需要知道，'下一階段的啟動程序'具體存放在哪一個設備。也就是說，BIOS需要有一個外部儲存設備的排序，排在前面的設備就是優(yōu)先轉交控制權的設備。這種排序叫做'啟動順序'（Boot Sequence）。
打開BIOS的操作界面，里面有一項就是'設定啟動順序'。
二、第二階段：主引導記錄
BIOS按照'啟動順序'，把控制權轉交給排在第一位的儲存設備。
這時，計算機讀取該設備的第一個扇區(qū)，也就是讀取最前面的512個字節(jié)。如果這512個字節(jié)的最后兩個字節(jié)是0x55和0xAA，表明這個設備可以用于啟動；如果不是，表明設備不能用于啟動，控制權于是被轉交給'啟動順序'中的下一個設備。
這最前面的512個字節(jié)，就叫做'主引導記錄'（Master boot record，縮寫為MBR）。
2.1 主引導記錄的結構
'主引導記錄'只有512個字節(jié)，放不了太多東西。它的主要作用是，告訴計算機到硬盤的哪一個位置去找操作系統(tǒng)。
主引導記錄由三個部分組成：
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（1） 第1-446字節(jié)：調用操作系統(tǒng)的機器碼。
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（2） 第447-510字節(jié)：分區(qū)表（Partition table）。
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（3） 第511-512字節(jié)：主引導記錄簽名（0x55和0xAA）。
其中，第二部分'分區(qū)表'的作用，是將硬盤分成若干個區(qū)。
2.2 分區(qū)表
硬盤分區(qū)有很多好處?？紤]到每個區(qū)可以安裝不同的操作系統(tǒng)，'主引導記錄'因此必須知道將控制權轉交給哪個區(qū)。
分區(qū)表的長度只有64個字節(jié)，里面又分成四項，每項16個字節(jié)。所以，一個硬盤最多只能分四個一級分區(qū)，又叫做'主分區(qū)'。
每個主分區(qū)的16個字節(jié)，由6個部分組成：
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（1） 第1個字節(jié)：如果為0x80，就表示該主分區(qū)是激活分區(qū)，控制權要轉交給這個分區(qū)。四個主分區(qū)里面只能有一個是激活的。
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（2） 第2-4個字節(jié)：主分區(qū)第一個扇區(qū)的物理位置（柱面、磁頭、扇區(qū)號等等）。
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（3） 第5個字節(jié)：主分區(qū)類型。
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（4） 第6-8個字節(jié)：主分區(qū)最后一個扇區(qū)的物理位置。
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（5） 第9-12字節(jié)：該主分區(qū)第一個扇區(qū)的邏輯地址。
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（6） 第13-16字節(jié)：主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)。
最后的四個字節(jié)（'主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)'），決定了這個主分區(qū)的長度。也就是說，一個主分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)最多不超過2的32次方。
如果每個扇區(qū)為512個字節(jié)，就意味著單個分區(qū)最大不超過2TB。再考慮到扇區(qū)的邏輯地址也是32位，所以單個硬盤可利用的空間最大也不超過2TB。如果想使用更大的硬盤，只有2個方法：一是提高每個扇區(qū)的字節(jié)數(shù)，二是增加扇區(qū)總數(shù)。
三、第三階段：硬盤啟動
這時，計算機的控制權就要轉交給硬盤的某個分區(qū)了，這里又分成三種情況。
3.1 情況A：卷引導記錄
上一節(jié)提到，四個主分區(qū)里面，只有一個是激活的。計算機會讀取激活分區(qū)的第一個扇區(qū)，叫做'卷引導記錄'（Volume boot record，縮寫為VBR）。
'卷引導記錄'的主要作用是，告訴計算機，操作系統(tǒng)在這個分區(qū)里的位置。然后，計算機就會加載操作系統(tǒng)了。
3.2 情況B：擴展分區(qū)和邏輯分區(qū)
隨著硬盤越來越大，四個主分區(qū)已經不夠了，需要更多的分區(qū)。但是，分區(qū)表只有四項，因此規(guī)定有且僅有一個區(qū)可以被定義成'擴展分區(qū)'（Extended partition）。
所謂'擴展分區(qū)'，就是指這個區(qū)里面又分成多個區(qū)。這種分區(qū)里面的分區(qū)，就叫做'邏輯分區(qū)'（logical partition）。
計算機先讀取擴展分區(qū)的第一個扇區(qū)，叫做'擴展引導記錄'（Extended boot record，縮寫為EBR）。它里面也包含一張64字節(jié)的分區(qū)表，但是最多只有兩項（也就是兩個邏輯分區(qū)）。
計算機接著讀取第二個邏輯分區(qū)的第一個扇區(qū)，再從里面的分區(qū)表中找到第三個邏輯分區(qū)的位置，以此類推，直到某個邏輯分區(qū)的分區(qū)表只包含它自身為止（即只有一個分區(qū)項）。因此，擴展分區(qū)可以包含無數(shù)個邏輯分區(qū)。
但是，似乎很少通過這種方式啟動操作系統(tǒng)。如果操作系統(tǒng)確實安裝在擴展分區(qū)，一般采用下一種方式啟動。
3.3 情況C：啟動管理器
在這種情況下，
計算機讀取'主引導記錄'前面446字節(jié)的機器碼之后，不再把控制權轉交給某一個分區(qū)，而是運行事先安裝的'啟動管理器'（boot loader），由用戶選擇啟動哪一個操作系統(tǒng)。
Linux環(huán)境中，目前最流行的啟動管理器是Grub。
四、第四階段：操作系統(tǒng)
控制權轉交給操作系統(tǒng)后，操作系統(tǒng)的內核首先被載入內存。
以Linux系統(tǒng)為例，先載入/boot目錄下面的kernel。內核加載成功后，第一個運行的程序是/sbin/init。它根據(jù)配置文件（Debian系統(tǒng)是/etc/initab）產生init進程。這是Linux啟動后的第一個進程，pid進程編號為1，其他進程都是它的后代。
然后，init線程加載系統(tǒng)的各個模塊，比如窗口程序和網絡程序，直至執(zhí)行/bin/login程序，跳出登錄界面，等待用戶輸入用戶名和密碼。
至此，全部啟動過程完成。
轉載自：阮一峰的網絡日志
文章地址：http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html
作者：阮一峰
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