装系统那些事儿-1-电脑的启动流程

摘要:
硬盘,这是正常情况下电脑的启动设备,硬盘的结构如下图左边示意图。当然,这里描述的是一台电脑上装了一个操作系统,且用的是硬盘默认的MBR引导程序的电脑启动流程,在实际流程中很多电脑上装有多个系统,如Win7和winXP,如WIN7和Ubuntu等等,不同的多系统共存方式,它的启动流程都是各不一样的。小结一下自此,电脑的启动流程大概描述清楚,下一节会讲述操作系统的安装原理。

如果对使用电脑遇到的问题做一个统计的话,我想装系统一定会是前十。笔者使用电脑这么多年,风风雨雨中自己或帮别人装了各种系统几十上百次。不管操作系统怎么更新换代,不管是DOS、Windows、Linux,不管是图形界面还是命令行界面,大家都面临一个基础性问题——装系统。

所以,我决定在此将装系统的那些事儿汇总一下,不管你是安装什么系统或遇到什么问题或解决了问题但想了解原因,相信在这里大多能找到答案。

都说“授人以鱼,不如授人以渔”,在开始讲诉各种系统的安装方式前,我先要讲一下电脑的启动流程

电脑的启动流程
当我们打开电脑电源,此时主板通电,ROM里的BIOS运行(此时控制权还在BIOS,CPU尚未通电),首先BIOS会对整个电脑的硬件进行自检,这个过程在早期的windows 95和windows 98中是可以看到的(如下图),现在XP后已经默认不显示了。硬件自检的内容主要是看CPU、显卡、内存等是否安装好或有松动等等。

装系统那些事儿-1-电脑的启动流程第1张

在自检过程中,若出现问题,电脑会报出指定的各种“嘀”声音,如内存没插好一般会出现“嘀…嘀…”的连续有间隔的长音,不同的主板对不同的错误定义的声音是不同的,有经验的电脑维修者可依据此判断电脑的问题所在,有兴趣的可以 点一下这里看一下常见的“嘀”声故障。

若主板上电自检成功,BIOS根据用户指定的启动顺序从软、光、硬盘、U盘或其它存储设备启动,在BIOS进入其他设备启动前,可以进入BIOS选择当前启动的设备,否则BIOS按照默认的顺序选择可以启动的第一个设备启动,不同电脑进入BIOS的方法 参考这里

现在一般的启动设备主要是硬盘、光盘和U盘,其中硬盘的结构最为复杂,下面以硬盘启动为例说明启动过程,光盘和U盘类似。

硬盘,这是正常情况下电脑的启动设备,硬盘的结构如下图左边示意图。硬盘最开始部分为主引导记录区,包括三部分:主引导记录MBR,硬盘分区表DPT,扇区结束标志55AAH。其中主引导记录MBR可以看做一小段用于引导系统跳转的程序;硬盘分区表DPT是用于描述整个硬盘的分区情况,存储的是每个分区的实际跳转地址,硬盘寻址的时候据此跳转到硬盘数据区,一般主引导记录区的硬盘分区表DPT的大小有限,最多只能存储4个主分区记录,主分区记录对应的硬盘数据区叫主分区(图中C区、D区),若要将硬盘分区超过4个,可采用扩展分区,即如下图的方式将一部分引导记录做到硬盘数据区,这时候在硬盘上的分区记录表叫扩展分区表,对应的硬盘数据区叫扩展分区或逻辑分区(图中E区、F区);扇区结束标志为特定的值,检查此项以确认主引导记录区没有被破坏。

接下来电脑将这主引导记录区读到内存RAM中,将控制权交给中央CPU,CPU首先检查扇区结束标志已确认引导记录没有被破坏,接下来执行主引导记录MBR,MBR在分区表DPT或扩展分区表中选择默认的活动分区,再加载活动分区的引导程序进一步完成电脑的启动,如下图右是C为活动分区的示意图。
装系统那些事儿-1-电脑的启动流程第2张
这里值得注意的是一旦到活动分区的引导程序,这就涉及到不同的操作系统的引导方式,这里稍后再叙述。

当然,这里描述的是一台电脑上装了一个操作系统,且用的是硬盘默认的MBR引导程序的电脑启动流程,在实际流程中很多电脑上装有多个系统,如Win7和win XP,如WIN7和Ubuntu等等,不同的多系统共存方式,它的启动流程都是各不一样的。在上面叙述中,是从默认的活动分区启动的,如何启动不在默认活动分区上的操作系统呢,这个同样是个问题。

要解决这些问题,当然先得从MBR入手,默认的MBR只是跳转到活动分区引导区,它的程序大小是固定的,要想扩展MBR支持多分区启动和从非默认活动分区启动等等高级功能,自然想通过改写MBR来完成,但是就程序大小确定的MBR怎么改写也不能完成这样的高级功能啊,人们想到了一个中立的办法,就是在硬盘数据区划分一块存储高级引导程序,改写默认的MBR先跳转到高级引导程序(Grub,Easyboot等第三方高级引导程序),通过高级引导程序再跳转到各个分区引导程序,如下图是两种引导方式。

装系统那些事儿-1-电脑的启动流程第3张
这样我们就可以进行多系统引导和从非默认活动分区引导了。

我们再想想,能不能不修改MBR,也实现多系统引导和从非默认活动分区引导,答案当让是可以的了。因为直到进入待引导分区,系统的实际引导工作还没有开始,这时候还可以进行系统引导的重导向。

前面提到分区的引导扇区程序是视操作系统的不同而不同的。这里所述的操作系统主要是windows 2000,XP/7 和 Unbuntu,CentOS。Windows的2000前的系统引导方式可能略有不同,现在已经不需要关心,Linux的引导现在普遍采用Grub,之前的 LILO引导程序用的已经不多,这里不作介绍。
一般的引导流程如下图
装系统那些事儿-1-电脑的启动流程第4张

Windows引导

若待引导分区为Windows系统,引导扇区跳转到Windows自带的高级引导程序ntldr,高级引导程序读取待引导系统列表boot.ini,显示给用户选择,在windows附件中打开命令行,假设当前启动系统为C区,输入如下命令可以查看到ntldr和boot.ini。
cd C:/
dir /a
如下图
装系统那些事儿-1-电脑的启动流程第5张

若选择当前分区系统,则进行加载系统内核,加载硬件初始化,启动操作。若选择其他分区系统,则跳转到对应分区的引导扇区重复选择引导操作。Windows自带的ntldr支持引导Windows系统,若要在Windows下引导Linux系统,需要对ntldr再次跳转到支持Linux启动的高级引导程序如Grub for DOS,这在后面实际案例中会讲解。
另外在windows命令行中输入msconfig,也可以打开查看当前boot.ini的启动内容,如下图
装系统那些事儿-1-电脑的启动流程第6张

Linux引导

若待引导分区为Linux系统,引导扇区跳转到Grub自带的高级引导程序grldr,高级引导程序读取待引导系统列表menu.lst,显示给用户选择。
若选择当前分区系统,则进行加载系统内核vmlinux,加载硬件初始化initrd.img,启动操作。若选择其他分区系统,则跳转到对应分区的引导扇区重复选择引导操作。
由于笔者写作时采用Windows系统,就不给截图演示了,大家自行摸索吧。


小结一下
自此,电脑的启动流程大概描述清楚,下一节会讲述操作系统的安装原理。

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