关于开机

Linux

关于开机

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BIOS->Boot->OS->SHELL

从本质上来讲，上面这四个东西都是程序. 从启动电脑，到进入操作系统之前的整个流程为，

  1. BIOS：启动主动执行的固件，会认识第一个可启动的设备
  2. MBR：第一个可启动设备的第一个扇区内的主引导记录块，内含启动引导代码
  3. 启动引导程序（boot loader）：一个可读取内核文件来执行的软件
  4. 内核文件：开始启动操作系统

BIOS

关于主板

主板就像生命系统的神经一样，将重要的部件连接起来. 当大脑（CPU）发布命令后，信号通过神经（主板）传导给手、脚等部位（各项接口设备）作出相应的反应. 因此主板的设计显著影响着计算机的性能.

早期的主板上包含两个主要芯片，靠上方的叫北桥，靠下方的叫南桥，我们管他们叫作芯片组. 北桥的速度较快，负责连接高速设备，内存、显卡等组件，并与CPU进行通信，同时负责与南桥进行通信. 南桥负责连接速度较慢的设备接口，包括硬盘、USB设备、网卡等组件，南桥的信息先传递给北桥，然后再与CPU进行通信. 目前的计算机，北桥的内存控制器已经被整合到CPU中了，已经没有传统意义上的北桥了，因此芯片组的说法也就没有了，南桥也就自然换了一个说法，可以把它叫作PCH（platform controller hub）.

CMOS

主板上的组件是非常多的，而每个组件的参数又具有可调整性，比如我们可以调整CPU的频率（超频），或者是否启用网卡、显卡等，这些元信息的各项参数，储存在主板上一块叫作CMOS（complementary metal oxide semiconductor）的芯片上. CMOS实际上是一种晶体管，叫作互补金属氧化物半导体. 在计算机中，我们特指在电脑主板上这块可以读写的芯片. CMOS记录了主板上各项重要参数，包括系统时间、CPU电压与频率、各项设备的IO地址等. 由于这些数据的记录需要用电，因此CMOS需要借助额外的电源来使用记录功能，主板上因此放置了一块纽扣电池. 这些数据如何读取和更新呢？这就是BIOS的功能.

BIOS

BIOS (Basic Input Output System) 一个程序，和其他运行在系统中的程序不同，BIOS是一个写死到主板上的一个存储芯片中的一个汇编程序. 这颗存储芯片即使在没有通电时也能够记录数据，即只读存储器ROM（read only memory）. 在计算机启动的时候，BIOS程序最先运行，加载CMOS中的参数，首先进行硬件自检，检验计算机硬件能否满足运行的基本条件. 如果没有问题，屏幕就会打印出CPU、内存、硬盘等基本信息. 之后，尝试调用存储设备中的引导程序，进一步进入操作系统中，此时BIOS程序结束. 不同的电脑（主板）有着不同的热键来在开机时进入BIOS.

磁盘分区

在Win里我们可以把整个磁盘进行分区，比如C、D、E盘. 磁盘分区有下面两个角度的考虑:

  1. 数据的安全性

    每个分区的数据是分开的. 所以将某个分区的数据重新整理时，可以将重要数据移至其他盘.

  2. 系统的性能考虑

    分区将数据集中在某个区段内，如一来当有数据要读取自该分区时，磁盘只会查找该数据所在的区段，比如1-100的柱面范围，从而提高了数据读取的速度.

假如对磁盘分好区了，计算机得知道一共有几个分区..每个区的开始和结束在那里呀，因此一定要存在一个分区表，来记录分区的信息. 分区表存在两种格式，MBR和GPT.

MBR

早期的Linux系统为了兼容Windows的磁盘，使用的是支持Windows的MBR（master boot record，主引导记录）的方式来处理启动引导程序和分区表。启动引导程序记录区与分区表处在磁盘的第一个扇区，这个扇区通常是512字节的大小，

  • 主引导记录（Master boot record，MBR）：可以安装启动引导程序的地方，有446字节
  • 分区表（partition table）：记录整块硬盘分区的状态，有64字节

由于MBR格式的分区表仅有64个字节的容量，因此最多仅能有4组记录区，每组记录区记录了该区段的起始与结束的柱面号码.

对于Windows系统，这1-4个分区就分别代表着C、D、E、F盘.

当然，虽然MBR的分区表中最多仅有4组记录区，但是我们可以做到“看起来”把磁盘分成超于4个的多个分区，我们可以通过扩展分区的方式来实现这一点，如下图所示，

在上图的分区方式中，我们4个分区记录区中仅用到两个，P1为主要分区，P2为扩展分区. 我们把扩展分区继续划分了5个子分区，这5个由扩展分区继续切出来的分区，被称为逻辑分区（logical partition），扩展分区最多只有一个. 我们可以总结一下主分区、扩展分区和逻辑分区的一些特性：

  • 主分区和扩展分区最多可以有4个
  • 扩展分区最多只有1个
  • 逻辑分区是由扩展分区持续划分出来的分区
  • 能够被格式化后作为数据存取的分区是主要分区与逻辑分区，扩展分区无法被格式化
  • 逻辑分区的数量依操作系统而不同.

GPT

GPT（Globally unique identifier partition table）磁盘分区表，最多允许128个分区，而且每个分区的容量没有限制（MBR分区格式中单一分区的最大容量为2TB）。同时，在MBR中，仅有第一个512字节块用来放置引导程序和记录分区信息，而在GPT格式中，前后各有一个区块来储存分区信息，用以备份，因此其更加安全可靠.

用哪种分区模式对系统运行没有影响，很老的操作系统和启动引导程序可能不支持GPT分区格式，但目前包括Windows Vista，7，8，10和大多数新版Linux都已经支持GPT分区表.

BIOS + 启动引导程序

刚才我们看到了，磁盘第一扇区的分区表中包含两部分，首先是446字节的启动引导程序，之后是记录具体分区信息的分区表。我们把计算机的引导启动称作Boot过程，这个单词起源于bootstrap，鞋带，

pull oneself up by one's bootstraps

拽着鞋带把自己拉起来，在启动计算机时，必须先运行程序，计算机才能启动，但是计算机不启动，又无法运行程序.. 所以Boot实际上代表着一种<自引导>，在计算机术语里，意指 to load a program into a computer from a disk; to start or ready for use especially by booting a program.

在计算机启动时，首先主动执行BIOS程序，BIOS会去分析计算机里有哪些存储设备，以硬盘为例，BIOS会根据用户的设置去取得能够启动的硬盘，并且到该硬盘里面去读取第一个扇区的446个字节的启动引导程序的位置，成功找到后，BIOS的使命完成，将工作交给这个启动引导程序.

启动引导程序的目的是加载操作系统的内核文件，告诉计算机到硬盘的哪一个位置去找操作系统。由于启动引导程序是操作系统在安装的时候所提供的，因此它可以识别硬盘内的文件系统格式，因此就能够读取内核文件，此时工作交给操作系统内核，引导程序的使命也就结束了。

如果分区表是GPT格式的话，BIOS也能够MBR兼容区块读取第一阶段的启动引导代码，如果启动引导程序支持GPT的话，使用BIOS同样可以读取到正确的操作系统内核。而如果启动引导程序不支持GPT，那么就无法读取内核文件，无法启动操作系统。

这里要弄清楚各部分的关系，BIOS是写死在主板上的，因此它与操作系统无关；446字节的MBR（master boot record）主引导记录也是硬件支持的设置，但安装在MBR上的启动引导程序（boot loader）是操作系统安装在上面的一个程序，它是与操作系统有关的. 启动引导程序的主要功能包括：

  • 提供选项：用户可以选择不同的启动选项，这也是多重引导的重要功能
  • 加载内核文件：直接指向可使用的程序区段来启动操作系统
  • 转交其他启动引导程序：将启动管理功能转交给其他启动引导程序负责

实际上多系统就是通过这些功能实现的，假如个人计算机上只有一个硬盘，里面分成了四个分区，其中第一第二分区分别安装了Windows和Linux，在启动时，我们可以选择直接加载Windows的内核文件来开机，也可以将启动引导程序指向第二个分区的启动引导程序，第二个引导程序启动后，可以加载Linux的内核文件，启动Linux系统，完成多重引导.

当然，BIOS会去分析计算机里有哪些存储设备，在开机进入BIOS后，如果我们在电脑上插入了安装了操作系统的硬盘，我们也可以指定从硬盘中启动系统，来实现通过外界硬盘实现的双系统，或者制作U盘启动盘来重装系统，其原理都是相似的.

OS

和BIOS一样，OS（operating system，操作系统）也只是一组程序，BIOS负责将计算机引导进入操作系统，操作系统负责管理电脑的所有活动以及驱动系统中的所有硬件，比如让CPU进行逻辑判断和数值运算，让内存可以开始加载、读取数据，让网卡传输数据、让外置设备开始运转等等，这些功能都是通过操作系统的内核（kernel）完成的. 为了方便用户对硬件进行控制，操作系统提供了一套应用程序编程接口（API）来给用户开发软件。比如要开发C语言程序，只需要参考C语言的语法即可，不再需要去考虑内核的相关功能，因为内核的系统调用接口会主动地将C语言的相关语法转换成内核可以识别的任务函数，内核自然就可以顺利地运行该程序。所以我们相当于是在核的外面与计算机打交道，处在“壳”的位置，所以SHELL程序起名叫SHELL（壳），其实一切应用程序本质上都是壳程序.

在定义上，只要能够让电脑硬件正确无误地运行，就算是操作系统。所以本质上来说，操作系统就是内核及其提供的接口工具。由于操作系统的内核层直接参考硬件规格写成，所以同一个操作系统程序不能够再不一样的硬件架构下运行（比如x86架构与arm架构），只要硬件不同，操作系统的内核程序就要进行相应修改.

内核

操作系统的内核程序主要负责电脑相关的资源分配与管理. 内核程序的基本功能包括，

  • 系统调用接口：提供简单的接口让用户控制硬件资源
  • 进程管理：调度排队让CPU处理的任务，有效地分配CPU资源
  • 内存管理：控制整个系统的内存管理
  • 文件系统管理：提供对不同文件格式的支持，支持数据的输入与输出的工作
  • 设备驱动：硬件的管理是内核的主要工作之一，设备的驱动是内核需要完成的事情. 当然，硬件的发展非常快，对于较新的硬件，操作系统并没有提供支持，此时操作系统如何驱动这个硬件呢？通常，操作系统都会提供给一个API给硬件开发商，让他们可以根据这个接口设计驱动硬件的驱动程序. 在安装新硬件的时候，只要安装厂商提供的驱动程序就好啦. 要注意驱动程序是根据操作系统提供的API而开发的，所以不同系统下的驱动程序是不能够通用的.