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计算机启动过程---硬件部分

浏览：0 | 发布于：2010.09.14 | 分类：默认分类

　　第一步：当我们按下电源开关时，电源就开始向主板和其它设备供电，此时电压还不太稳定，主板上的控制芯片组会向CPU发出并保持一个RESET（重置）信号，让CPU内部自动恢复到初始状态，但CPU在此刻不会马上执行指令。当芯片组检测到电源已经开始稳定供电了（当然从不稳定到稳定的过程只是一瞬间的事情），它便撤去RESET信号（如果是手工按下计算机面板上的Reset按钮来重启机器，那么松开该按钮时芯片组就会撤去RESET信号），CPU马上就从地址FFFF0H处开始执行指令，从前面的介绍可知，这个地址实际上在系统BIOS的地址范围内，无论是AwardBIOS还是AMIBIOS，放在这里的只是一条跳转指令，跳到系统BIOS中真正的启动代码处。

　　第二步：系统BIOS的启动代码首先要做的事情就是进行POST（Power－OnSelfTest，加电后自检），POST的主要任务是检测系统中一些关键设备是否存在和能否正常工作，例如内存和显卡等设备。由于POST是最早进行的检测过程，此时显卡还没有初始化，如果系统BIOS在进行POST的过程中发现了一些致命错误，例如没有找到内存或者内存有问题（此时只会检查640K常规内存），那么系统BIOS就会直接控制喇叭发声来报告错误，声音的长短和次数代表了错误的类型。在正常情况下，POST过程进行得非常快，我们几乎无法感觉到它的存在，POST结束之后就会调用其它代码来进行更完整的硬件检测。

　　第三步：接下来系统BIOS将查找显卡的BIOS，前面说过，存放显卡BIOS的ROM芯片的起始地址通常设在C0000H处，系统BIOS在这个地方找到显卡BIOS之后就调用它的初始化代码，由显卡BIOS来初始化显卡，此时多数显卡都会在屏幕上显示出一些初始化信息，介绍生产厂商、图形芯片类型等内容，不过这个画面几乎是一闪而过。系统BIOS接着会查找其它设备的BIOS程序，找到之后同样要调用这些BIOS内部的初始化代码来初始化相关的设备。

　　第四步：查找完所有其它设备的BIOS之后，系统BIOS将显示出它自己的启动画面，其中包括有系统BIOS的类型、序列号和版本号等内容。

　　第五步：接着系统BIOS将检测和显示CPU的类型和工作频率，然后开始测试所有的RAM，并同时在屏幕上显示内存测试的进度，我们可以在CMOS设置中自行决定使用简单耗时少或者详细耗时多的测试方式。

　　第六步：内存测试通过之后，系统BIOS将开始检测系统中安装的一些标准硬件设备，包括硬盘、CD－ROM、串口、并口、软驱等设备，另外绝大多数较新版本的系统BIOS在这一过程中还要自动检测和设置内存的定时参数、硬盘参数和访问模式等。

　　第七步：标准设备检测完毕后，系统BIOS内部的支持即插即用的代码将开始检测和配置系统中安装的即插即用设备，每找到一个设备之后，系统BIOS都会在屏幕上显示出设备的名称和型号等信息，同时为该设备分配中断、DMA通道和I/O端口等资源。

　　第八步：到这一步为止，所有硬件都已经检测配置完毕了，多数系统BIOS会重新清屏并在屏幕上方显示出一个表格，其中概略地列出了系统中安装的各种标准硬件设备，以及它们使用的资源和一些相关工作参数。

　　第九步：接下来系统BIOS将更新ESCD（ExtendedSystemConfigurationData，扩展系统配置数据）。ESCD是系统BIOS用来与操作系统交换硬件配置信息的一种手段，这些数据被存放在CMOS（一小块特殊的RAM，由主板上的电池来供电）之中。通常ESCD数据只在系统硬件配置发生改变后才会更新，所以不是每次启动机器时我们都能够看到"UpdateESCD...Success"这样的信息，不过，某些主板的系统BIOS在保存ESCD数据时使用了与Windows9x不相同的数据格式，于是Windows9x在它自己的启动过程中会把ESCD数据修改成自己的格式，但在下一次启动机器时，即使硬件配置没有发生改变，系统BIOS也会把ESCD的数据格式改回来，如此循环，将会导致在每次启动机器时，系统BIOS都要更新一遍ESCD，这就是为什么有些机器在每次启动时都会显示出相关信息的原因。

　　第十步：ESCD更新完毕后，系统BIOS的启动代码将进行它的最后一项工作，即根据用户指定的启动顺序从软盘、硬盘或光驱启动。以从C盘启动为例，系统BIOS将读取并执行硬盘上的主引导记录，主引导记录接着从分区表中找到第一个活动分区，然后读取并执行这个活动分区的分区引导记录，而分区引导记录将负责读取并执行IO.SYS，这是DOS和Windows9x最基本的系统文件。Windows9x的IO.SYS首先要初始化一些重要的系统数据，然后就显示出我们熟悉的蓝天白云，在这幅画面之下，Windows将继续进行DOS部分和GUI（图形用户界面）部分的引导和初始化工作。

　　启动计算机，到登入到桌面完成启动，一共经过了以下几个阶段---软件可控制部分

　　1. 预引导（Pre-Boot）阶段；

　　2. 引导阶段；

　　3. 加载内核阶段；

　　4. 初始化内核阶段；

　　5. 登陆。

　　a） 预引导阶段

　　在按下计算机电源使计算机启动，并且在Windows XP专业版操作系统启动之前这段时间，我们称之为预引导（Pre-Boot）阶段，在这个阶段里，计算机首先运行Power On Self Test（POST），POST检测系统的总内存以及其他硬件设备的现状。如果计算机系统的BIOS（基础输入/输出系统）是即插即用的，那么计算机硬件设备将经过检验以及完成配置。计算机的基础输入/输出系统（BIOS）定位计算机的引导设备，然后MBR（Master Boot Record）被加载并运行。这里MBR就是主引导记录，可以用xorldr或bootice工具来查看改写（这里建议用xorldr 036，这个版本做出的菜单虽然一般，但简单明了，适合初学者），MBR结束后，分区引导记录将加载不同的引导程序IO.SYS(ms-dos,win9x)；GRUB4DOS（根目录下的GRLDR）,UGG boots；NTLDR（XP、2003根目录下的ntldr）；BOOTMGR（vista、win7根目录下的bootmgr）；SYSLINUX（LDLINUX.SYS）来引导不同的系统。xorldr这类可以让你用菜单的方式，选择任意一下分区引导，并且可以很方便的选择引导程序。

　　b） 引导阶段

　　NTLDR 引导阶段包含4个小的阶段。

　　首先，计算机要经过初始引导加载器阶段（Initial Boot Loader），在这个阶段里，NTLDR将计算机微处理器从实模式转换为32位平面内存模式。在实模式中，系统为MS-DOS保留640kb内存，其余内存视为扩展内存，而在32位平面内存模式中，系统（Windows XP Professional）视所有内存为可用内存。接着，NTLDR启动内建的mini-file system drivers，通过这个步骤，使NTLDR可以识别每一个用NTFS或者FAT文件系统格式化的分区，以便发现以及加载Windows XP Professional，到这里，初始引导加载器阶段就结束了。

　　接着系统来到了操作系统选择阶段，如果计算机安装了不止一个操作系统（也就是多系统），而且正确设置了boot.ini使系统提供操作系统选择的条件下，计算机显示器会显示一个操作系统选单，这是NTLDR读取boot.ini的结果。（至于操作系统选单，由于暂时条件不够，没办法截图，但是笔者模拟了一个）

　　在boot.ini中，主要包含以下内容：

　　[boot loader]

　　timeout=9

　　default=multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)\WINDOW S

　　[operating systems]

　　multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)\WINDOWS="1_ST3 40015A Windows XP Professional" /fastdetect /NoExecute=AlwaysOff

　　C:\grldr="Start GRUB4DOS"

　　C:\mxldr=MaxDOS 8

　　C:\MiniPE\MAOTAO.BIN=MAOTAO Windows XP PE

　　C:\deepin\deepin.bin=Deepin Windows 2003 PE 4.0

　　C:\bootsect.cdr=From DVD-ROM

　　multi(0)disk(0)rdisk(1)partition(1)\WINDOWS="2_ST 40G XP Pro" /fastdetect /NoExecute=AlwaysOff

　　其中，multi(0)表示磁盘控制器，disk(0)rdisk(0)表示磁盘，partition(x)表示分区。NTLDR就是从这里查找Windows XP Professional的系统文件的位置的。（*本文不会更详细地讲解boot.ini的组成结构，因为其与本主题关系不大，如果想了解，可以到一些专门的网站处查询相关信息。）如果在boot.ini中只有一个操作系统选项，或者把timeout值设为0，则系统不出现操作系统选择菜单，直接引导到那个唯一的系统或者默认的系统。在选择启动Windows XP Professional后，操作系统选择阶段结束，硬件检测阶段开始。

　　在硬件检测阶段中，ntdetect.com将收集计算机硬件信息列表并将列表返回到NTLDR，这样做的目的是便于以后将这些硬件信息加入到注册表HKEY_LOCAL_MACHINE下的hardware中。

　　硬件检测完成后，进入配置选择阶段。如果计算机含有多个硬件配置文件列表，可以通过按上下按钮来选择。如果只有一个硬件配置文件，计算机不显示此屏幕而直接使用默认的配置文件加载Windows XP专业版。

　　引导阶段结束。在引导阶段，系统要用到的文件一共有：NTLDR，Boot.ini，ntdetect.com，ntokrnl.exe，Ntbootdd.sys，bootsect.dos（可选的）。

　　GRUB4DOS（根目录下的GRLDR）的引导

　　首先，我们可以通过grldrmenuedit.exe这个工具来查看GRLDR的内容，原版GRLDR默认，会有下面这些信息

　　title find /menu.lst, /boot/grub/menu.lst, /grub/menu.lst

　　configfile /MENU.LST configfile /BOOT/GRUB/MENU.LST configfile /GRUB/MENU.LST

　　会点英文的，一看就明白，第一行是查找menu.lst，第二行是引导这个文件。也就是说我们大部分的修改工作，都将在menu.lst中完成。

　　menu.lst中的内容（这里的例子来源于，lianjiang写的grub4dos初级教程，下载地址

　　title 运行 MAXDOS PLUG 维护系统 加载软盘镜像

　　map --mem (hd0,1)/IMG/MAXDOS.IMG (fd0)

　　map --hook

　　rootnoverify (fd0)

　　chainloader +1

　　title Boot myiso.iso 引导光盘镜像（ISO仿真）

　　map (hd0,0)/myiso.iso (hd32)

　　map --hook

　　chainloader (hd32)

　　boot

　　title DEEPIN41.iso 引导ISO文件前，加载Firadisk驱动，可以将ISO映射成光盘，避免PE只能加载主文件，不能加载外围程序的发生。

　　find --set-root /Firadisk.IMG && map --mem /Firadisk.IMG (fd0)

　　find --set-root --ignore-floppies /ISO/DEEPIN41.iso

　　map --mem /ISO/DEEPIN41.iso (0xff)

　　map --hook

　　chainloader (0xff)

　　title Start GeeXboX for HDTV ...

　　kernel=/GEEXBOX/boot/vmlinuz root=/dev/ram0 rw rdinit=linuxrc boot=UUID=F4F878FBF878BD84 lang=zh_CN remote=atiusb receiver=atiusb keymap=qwerty splash=silent vga=789 video=vesafb:ywrap,mtrr hdtv quiet

　　initrd=/GEEXBOX/boot/initrd.gz

　　title 启动第一硬盘第一主分区(hd0,0)上的操作系统 通常的C盘

　　rootnoverify (hd0,0)

　　makeactive

　　chainloader +1

　　title 启动第一硬盘第一逻辑分区(hd0,4)上的操作系统 通常的D盘

　　rootnoverify (hd0,1)

　　makeactive

　　chainloader +1

　　title 启动Windows NT/2000/XP/2003

　　find --set-root /ntldr

　　chainloader /ntldr

　　title 启动Microsoft Windows Vista/win7

　　find --set-root /bootmgr

　　chainloader /bootmgr

　　title 启动DOS/Windows 95/98/Me

　　find --set-root /io.sys

　　chainloader /io.sys

　　上述是GRUB的一些入门介绍，详细的大家自己找资料研究吧。这里大家看到了，GRUB可以引导其它的引导程序，同理NTLDR，bootgmr也可以引导grldr。

　　Windows7操作系统启动过程详解，一般顺序为：BIOS→MBR→Bootmgr→BCD→Winload.exe→内核加载

　　1)开机后，BIOS进行开机自检(POST)，然后选择从硬盘进行启动，加载硬盘的MBR并把控制权交给MBR(MBR是硬盘的第一个扇区，它不在任何一个分区内);

　　2)MBR会搜索64B大小的分区表，找到4个主分区(可能没有4个)的活动分区并确认其他主分区都不是活动的，然后加载活动分区的第一个扇区(Bootmgr)到内存;

　　3)Bootmgr寻找并读取BCD，如果有多个启动选项，会将这些启动选项反映在屏幕上，由用户选择从哪个启动项启动。

　　4)选择从Windows7启动后，会加载C:\windows\system32\winload.exe，并开始内核的加载过程，内核加载过程比较长，比较复杂，这里就不一一讲了。

　　在这个过程中，bootmgr和BCD存放在Windows7的保留分区里，而从Winload.exe开始，就开始进入到C盘执行内核的加载过程了。

　　----BCD可以用系统自带的bcdedit.exe来查看编辑，当然bcdedit是命令行的，用起来很不方便。也可以用BcdTool.exe来编辑，这个就比较方便了。

　　c） 加载内核阶段

　　在加载内核阶段，ntldr加载称为Windows XP内核的ntokrnl.exe。系统加载了Windows XP内核但是没有将它初始化。接着ntldr加载硬件抽象层（HAL，hal.dll），然后，系统继续加载HKEY_LOCAL_MACHINE\system键，NTLDR读取select键来决定哪一个Control Set将被加载。控制集中包含设备的驱动程序以及需要加载的服务。NTLDR加载HKEY_LOCAL_MACHINE\system\service\…下start键值为0的最底层设备驱动。当作为Control Set的镜像的Current Control Set被加载时，ntldr传递控制给内核，初始化内核阶段就开始了。

　　d） 初始化内核阶段

　　在初始化内核阶段开始的时候，彩色的Windows XP的logo以及进度条显示在屏幕中央，在这个阶段，系统完成了启动的4项任务：

　　内核使用在硬件检测时收集到的数据来创建了HKEY_LOCAL_MACHINE\HARDWARE键。

　　内核通过引用HKEY_LOCAL_MACHINE\system\Current的默认值复制Control Set来创建了Clone Control Set。Clone Control Set配置是计算机数据的备份，不包括启动中的改变，也不会被修改。

　　系统完成初始化以及加载设备驱动程序，内核初始化那些在加载内核阶段被加载的底层驱动程序，然后内核扫描HKEY_LOCAL_MACHINE\system\CurrentControlSet\servic e\…下start键值为1的设备驱动程序。这些设备驱动程序在加载的时候便完成初始化，如果有错误发生，内核使用ErrorControl键值来决定如何处理，值为3时，错误标志为危机/关键，系统初次遇到错误会以LastKnownGood Control Set重新启动，如果使用LastKnownGood Control Set启动仍然产生错误，系统报告启动失败，错误信息将被显示，系统停止启动；值为2时错误情况为严重，系统启动失败并且以LastKnownGood Control Set重新启动，如果系统启动已经在使用LastKnownGood值，它会忽略错误并且继续启动；当值是1的时候错误为普通，系统会产生一个错误信息，但是仍然会忽略这个错误并且继续启动；当值是0的时候忽略，系统不会显示任何错误信息而继续运行

　　Session Manager启动了Windows XP高级子系统以及服务，Session Manager启动控制所有输入、输出设备以及访问显示器屏幕的Win32子系统以及Winlogon进程，初始化内核完毕。

　　A、计算机通电自检，由BIOS完成基本硬件配置。

　　B、读取硬盘MBR(主引导记录)文件，将引导分区上引导扇区调入内存执行。

　　C、执行NTLDR(操作系统加载器)文件，将引导分区上引导扇区调入内存执行。

　　C1、WIN2K/WINXP支持多重启动，安装时会在已存在的其他操作系统引导扇区建立bootsect.dos文件，以便启动时加载ntldr文件，达到双重启动目的。

　　D、NTLDR把处理器从实模式转换为32位保护模式。

　　E、读取BOOT.INI文件(如多系统，出现系统选择菜单。选择win2K/winxp继续，选择其他系统，转到bootsect.dos，菜单显示中文字体由bootfont.bin提供。)

　　F、加载ntdetect.com(检测硬件配置)如机子有多个硬件配置文件，会出现选择菜单。

　　G、装载内核，NTOSKRNL.exe文件。(位于system32文件夹)

　　H、硬件抽象层(HAL)加载，隐藏特定平台硬件接口细节，为操作系统提供虚拟硬件平台，使其具有硬件无关性，可在多种平台上进行移植。

　　I、NTLDR将控制权交给内核，内核开始加载设备驱动，WIN32子系统和各种服务。

　　J、用户登录，由WIN32子系统启动winlogon.exe，由winlogon.exe启动local security authority(lsass.exe)显示登录对话框。

　　K、配置网络和用户环境。