启动与引导

学习了计算机组成原理，我们大致了解了寄存器、运算器、内存这些部件是如何一起工作的；通过汇编语言，我们也清楚了 C 语言这样的高级语言，最终是如何变成一条条机器能够执行的指令的。

但我们可能还会有些疑问：

1. 当我们双击一个程序图标时，我们写的 C 程序代码是如何在计算机里“跑”起来的？
2. 程序需要读写文件、在屏幕上显示文字或者播放视频时，它又是如何使用操作系统提供的这些功能的？

这些问题的答案，都指向一个默默无闻但极其重要的“总管家”——操作系统（Operating System，简称 OS）。OS 负责调度各个程序，合理分配和管理计算机的各种资源，确保整个系统能够流畅、高效并且安全地运行。

启动

按下电源键后，计算机内部发生了什么？为了理解这个过程，我们先看看硬盘分区的基本情况。下面以一个典型的硬盘为例（在 Linux 系统中，可以用 sudo parted -l 命令查看）：

sudo parted -l

对于现在的计算机，启动过程通常依赖 UEFI 固件和 GPT（GUID Partition Table）分区表。在硬盘分区信息中，我们会看到一个 ESP（EFI System Partition）分区。这个分区的文件系统格式通常是 FAT（比如 FAT32），里面存放着操作系统或者其他工具的引导加载程序（bootloader）。

UEFI 启动流程大致如下：

1. CPU 加电后，开始执行 UEFI 固件中的指令。
2. UEFI 固件会检查计算机的硬件（如内存、硬盘等）是否正常，并对它们进行初步的初始化。
3. UEFI 根据预设的启动顺序，从选定的存储设备（通常是 ESP 分区）加载一个指定的 EFI 应用程序。
4. 这个 EFI 应用程序（即引导加载程序）接下来会负责加载操作系统的内核。

UEFI 提供了一个功能丰富的预启动环境，比如它已经为后续程序准备好了 64 位运行模式、内存分布信息、文件系统驱动（用于读取 ESP 分区）、网络协议栈甚至时间服务等。这使得编写 EFI 程序相对方便，可以直接用 C 语言来写，只需要在编译时使用特定的参数，然后将编译好的 EFI 程序放到磁盘上的 ESP 分区里即可。

在 2010 年以前的电脑上，更常见的是使用 BIOS（Basic Input/Output System）固件和 MBR（Master Boot Record）分区表。如今这种方式已经不多见了，我们可能只会在微机课程上见到。MBR 启动过程相对简单直接，能让我们看到更多底层细节，因此一些操作系统科普书籍仍会用它来举例。

MBR 分区方式规定，硬盘的第一个扇区（通常是 512 字节）被称为主引导记录，包含了小段的引导代码和硬盘的分区表。具体的启动流程如下：

1. CPU 加电，开始执行 BIOS 固件中的指令。此时 CPU 通常运行在 16 位实模式（Real Mode）下。
2. BIOS 检查硬件，初始化基本的中断向量表，然后把硬盘第一个扇区（MBR）的内容加载到内存的 0x7c00 地址处。
3. BIOS 跳转到 0x7c00 开始执行 MBR 中的代码。由于 MBR 空间非常小，它的主要任务通常是加载一个更大、功能更全的“第二阶段引导程序”（Stage 2 bootloader），然后把控制权交给它。

引导

无论是 UEFI 还是 BIOS，在固件完成其初步工作后，接力棒就交给了引导加载程序（Bootloader）。引导加载程序的核心任务是找到操作系统的内核，把它加载到内存中，并最终启动它。

在 UEFI 环境中，直接加载并运行的 EFI 应用程序本身就是引导加载程序。它会负责解析文件系统，读取操作系统的内核文件和其他必要的启动文件到内存，然后跳转到内核的入口点开始执行。

以现代的 Windows 启动过程为例：

1. UEFI 加载 Windows Boot Manager（\EFI\Microsoft\Boot\bootmgfw.efi）。
2. 如果 BCD（Boot Configuration Data）配置了多系统，会展示操作系统选择菜单。选择了指定系统（或者只有一个），bootmgfw.efi 会加载 winload.efi。
3. winload.efi 加载内核 ntoskrnl.exe。

Grub 和 Linux 的过程略有不同：

1. UEFI 加载 /EFI/BOOT/bootx64.efi。
2. bootx64.efi 读取 grub.cfg 配置文件，显示启动菜单。
3. 根据配置加载内核 vmlinuz 和初始化文件系统 initramfs.img。

在 BIOS/MBR 环境中，由于 MBR 的空间限制，引导过程往往是分阶段的。

下面以 《30 天自制操作系统》 为例，其采用软盘作为启动介质。

1. CPU 通电，BIOS 加载 MBR 到 0x7c00 至内存。
2. MBR 代码非常简短，从后面几个扇区加载更复杂的 Stage 2 引导。
3. Stage 2 需要以下初始化：
   1. 设置 GDT（Global Descriptor Table），开启 32 位 Protected 模式。
   2. 读取内核到指定内存位置。
   3. 初始化页表，为开启分页机制做准备。
   4. 准备工作完成后，跳转到内核的入口地址，操作系统正式开始启动。

对于像 Windows 或 Linux 这样成熟的操作系统，在使用 MBR 引导时，其过程可能更为复杂，常常分为三级或更多级：

• MBR：只负责识别活动分区，并加载该分区的第一个扇区，即 VBR（Volume Boot Record，卷引导记录）。
• VBR：包含针对特定文件系统的代码，它的任务是找到并加载文件系统中的“第二阶段引导程序”或者一个“过渡阶段引导程序”（Stage 1.5）。
• Stage 1.5：具备读取特定文件系统（如 NTFS、EXT4）中文件的能力，找到 Stage 2 引导程序。
• Stage 2：正式的加载内核并初始化所需驱动。