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[电脑常识] 小科普:电脑开机键按下后发生了些什么

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[LV.1]初来乍到

发表于 2014-12-17 12:39:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

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说起电脑,大家都熟悉,会玩会查资料,下载电影MP3等一些简单的方法,这都是皮毛,今天小编带大家来好好了解下电脑到底怎么来的,怎么就开机了更能这么强大!




    从打开电源到开始操作,计算机的启动是一个非常复杂的过程。


    我一直搞不清楚,这个过程到底是怎么回事,只看见屏幕快速滚动各种提示...... 这几天,我查了一些资料,试图搞懂它。下面就是我整理的笔记。
QQ图片20141217123401.jpg
    零、boot 的含义先问一个问题,"启动"用英语怎么说?


    回答是 boot。可是,boot 原来的意思是靴子,"启动"与靴子有什么关系呢? 原来,这里的 boot 是 bootstrap(鞋带)的缩写,它来自一句谚语:


    "pull oneself up by one's bootstraps"字面意思是"拽着鞋带把自己拉起来",这当然是不可能的事情。最早的时候,工程师们用它来比喻,计算机启动是一个很矛盾的过程:必须先运行程序,然后计算机才能启动,但是计算机不启动就无法运行程序!


    早期真的是这样,必须想尽各种办法,把一小段程序装进内存,然后计算机才能正常运行。所以,工程师们把这个过程叫做"拉鞋带",久而久之就简称为 boot 了。


    计算机的整个启动过程分成四个阶段。


    一、第一阶段:BIOS上个世纪 70 年代初,"只读内存"(read-only memory,缩写为 ROM)发明,开机程序被刷入 ROM 芯片,计算机通电后,第一件事就是读取它。


    这块芯片里的程序叫做"基本輸出輸入系統"(Basic Input/Output System),简称为 BIOS。
QQ图片20141217123414.jpg
    1. 1 硬件自检BIOS 程序首先检查,计算机硬件能否满足运行的基本条件,这叫做"硬件自检"(Power-On Self-Test),缩写为 POST。


    如果硬件出现问题,主板会发出不同含义的蜂鸣,启动中止。如果没有问题,屏幕就会显示出 CPU、内存、硬盘等信息。


QQ图片20141217123425.jpg

    1. 2 启动顺序硬件自检完成后,BIOS 把控制权转交给下一阶段的启动程序。


    这时,BIOS 需要知道,"下一阶段的启动程序"具体存放在哪一个设备。也就是说,BIOS 需要有一个外部储存设备的排序,排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。这种排序叫做"启动顺序"(Boot Sequence)。


    打开 BIOS 的操作界面,里面有一项就是"设定启动顺序"。


QQ图片20141217123435.jpg

    二、第二阶段:主引导记录BIOS 按照"启动顺序",把控制权转交给排在第一位的储存设备。


    这时,计算机读取该设备的第一个扇区,也就是读取最前面的 512 个字节。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,控制权于是被转交给"启动顺序"中的下一个设备。


    这最前面的 512 个字节,就叫做"主引导记录"(Master boot record,缩写为 MBR)。


    2. 1 主引导记录的结构"主引导记录"只有 512 个字节,放不了太多东西。它的主要作用是,告诉计算机到硬盘的哪一个位置去找操作系统。


    主引导记录由三个部分组成:


    (1) 第1-446 字节:调用操作系统的机器码。


    (2) 第 447-510 字节:分区表(Partition table)。


    (3) 第 511-512 字节:主引导记录签名(0x55 和 0xAA)。


    其中,第二部分"分区表"的作用,是将硬盘分成若干个区。


    2. 2 分区表硬盘分区有很多好处。考虑到每个区可以安装不同的操作系统,"主引导记录"因此必须知道将控制权转交给哪个区。


    分区表的长度只有 64 个字节,里面又分成四项,每项 16 个字节。所以,一个硬盘最多只能分四个一级分区,又叫做"主分区"。


    每个主分区的 16 个字节,由 6 个部分组成:


    (1) 第 1 个字节:如果为 0x80,就表示该主分区是激活分区,控制权要转交给这个分区。四个主分区里面只能有一个是激活的。


    (2) 第2-4 个字节:主分区第一个扇区的物理位置(柱面、磁头、扇区号等等)。


    (3) 第 5 个字节:主分区类型。


    (4) 第6-8 个字节:主分区最后一个扇区的物理位置。


    (5) 第9-12 字节:该主分区第一个扇区的逻辑地址。


    (6) 第 13-16 字节:主分区的扇区总数。


    最后的四个字节("主分区的扇区总数"),决定了这个主分区的长度。也就是说,一个主分区的扇区总数最多不超过 2 的 32 次方。


    如果每个扇区为 512 个字节,就意味着单个分区最大不超过 2TB。再考虑到扇区的逻辑地址也是 32 位,所以单个硬盘可利用的空间最大也不超过 2TB。如果想使用更大的硬盘,只有 2 个方法:一是提高每个扇区的字节数,二是增加扇区总数。


    三、第三阶段: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。


    3. 1 情况A:卷引导记录上一节提到,四个主分区里面,只有一个是激活的。计算机会读取激活分区的第一个扇区,叫做"卷引导记录"(Volume boot record,缩写为 VBR)。


    "卷引导记录"的主要作用是,告诉计算机,操作系统在这个分区里的位置。然后,计算机就会加载操作系统了。


    3. 2 情况B:扩展分区和逻辑分区随着硬盘越来越大,四个主分区已经不够了,需要更多的分区。但是,分区表只有四项,因此规定有且仅有一个区可以被定义成"扩展分区"(Extended partition)。


    所谓"扩展分区",就是指这个区里面又分成多个区。这种分区里面的分区,就叫做"逻辑分区"(logical partition)。


    计算机先读取扩展分区的第一个扇区,叫做"扩展引导记录"(Extended boot record,缩写为 EBR)。它里面也包含一张 64 字节的分区表,但是最多只有两项(也就是两个逻辑分区)。


    计算机接着读取第二个逻辑分区的第一个扇区,再从里面的分区表中找到第三个逻辑分区的位置,以此类推,直到某个逻辑分区的分区表只包含它自身为止(即只有一个分区项)。因此,扩展分区可以包含无数个逻辑分区。


    但是,似乎很少通过这种方式启动操作系统。如果操作系统确实安装在扩展分区,一般采用下一种方式启动。


    3. 3 情况C:启动管理器在这种情况下,计算机读取"主引导记录"前面 446 字节的机器码之后,不再把控制权转交给某一个分区,而是运行事先安装的"启动管理器"(boot loader),由用户选择启动哪一个操作系统。


    Linux 环境中,目前最流行的启动管理器是 Grub。


QQ图片20141217123447.jpg

    四、第四阶段:操作系统控制权转交给操作系统后,操作系统的内核首先被载入内存。


    以 Linux 系统为例,先载入/boot 目录下面的 kernel。内核加载成功后,第一个运行的程序是/sbin/init。它根据配置文件(Debian 系统是/etc/initab)产生 init 进程。这是 Linux 启动后的第一个进程,pid 进程编号为1,其他进程都是它的后代。


    然后,init 线程加载系统的各个模块,比如窗口程序和网络程序,直至执行/bin/login 程序,跳出登录界面,等待用户输入用户名和密码。

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[LV.9]以坛为家II

发表于 2014-12-21 09:29:17 | 显示全部楼层
近来排版有长进哦
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[LV.1]初来乍到

发表于 2014-12-21 19:51:42 | 显示全部楼层
了解这些有意义么
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