跳到主要内容

操作系统启动过程

操作系统的启动过程是计算机从关机状态到完全运行的关键步骤。这个过程涉及硬件初始化、引导加载程序执行以及操作系统内核的加载和初始化。本文将逐步讲解操作系统的启动过程，帮助你理解计算机是如何从“无”到“有”的。

1. 启动过程概述​

当计算机通电时，硬件会执行一系列预定义的操作，最终加载并运行操作系统。这个过程可以分为以下几个主要阶段：

  1. 硬件初始化：计算机通电后，硬件开始自检和初始化。
  2. BIOS/UEFI 启动：BIOS 或 UEFI 固件负责检测硬件并加载引导加载程序。
  3. 引导加载程序执行：引导加载程序负责加载操作系统内核。
  4. 操作系统内核初始化：内核加载后，初始化系统并启动用户空间程序。

接下来，我们将详细讲解每个阶段。

2. 硬件初始化​

当计算机通电时，硬件会执行以下操作：

  • 电源自检（POST）：计算机通电后，主板上的 BIOS/UEFI 固件会执行电源自检（POST），检查硬件设备是否正常工作。如果检测到问题，计算机会发出蜂鸣声或显示错误信息。
  • 硬件初始化：POST 完成后，BIOS/UEFI 会初始化硬件设备，如内存、硬盘、显卡等。
备注

POST 是计算机启动过程中的第一个步骤，确保硬件设备正常工作。如果 POST 失败，计算机将无法继续启动。

3. BIOS/UEFI 启动​

BIOS（基本输入输出系统）或 UEFI（统一可扩展固件接口）是计算机启动过程中的关键组件。它们负责检测硬件并加载引导加载程序。

BIOS 启动过程​

  1. BIOS 加载：计算机通电后，BIOS 固件从主板上的 ROM 芯片中加载到内存中。
  2. 硬件检测：BIOS 检测并初始化硬件设备。
  3. 引导设备选择：BIOS 根据配置的启动顺序（如硬盘、USB、光盘等）选择引导设备。
  4. 加载引导扇区：BIOS 从引导设备的第一个扇区（称为主引导记录，MBR）中加载引导加载程序。

UEFI 启动过程​

UEFI 是 BIOS 的现代替代品，提供了更快的启动速度和更多的功能。

  1. UEFI 加载：计算机通电后，UEFI 固件从主板上的闪存中加载到内存中。
  2. 硬件检测：UEFI 检测并初始化硬件设备。
  3. 引导设备选择：UEFI 根据配置的启动顺序选择引导设备。
  4. 加载引导加载程序：UEFI 直接从引导设备的 FAT32 分区中加载引导加载程序（如 bootx64.efi）。
提示

UEFI 相比 BIOS 提供了更快的启动速度和更多的功能，如支持更大的硬盘和更安全的启动过程。

4. 引导加载程序执行​

引导加载程序（Bootloader）是操作系统启动过程中的关键组件，负责加载操作系统内核。常见的引导加载程序包括 GRUB（用于 Linux）和 Windows Boot Manager（用于 Windows）。

GRUB 引导加载程序​

GRUB（GRand Unified Bootloader）是 Linux 系统中常用的引导加载程序。它的主要任务是加载 Linux 内核并传递控制权。

  1. 加载 GRUB：BIOS/UEFI 从硬盘的 MBR 或 EFI 分区中加载 GRUB。
  2. 显示引导菜单：GRUB 显示引导菜单，允许用户选择要启动的操作系统或内核。
  3. 加载内核：GRUB 加载选定的 Linux 内核（如 vmlinuz）和初始 RAM 磁盘（initrd）。
  4. 传递控制权：GRUB 将控制权传递给 Linux 内核。

Windows Boot Manager​

Windows Boot Manager 是 Windows 操作系统的引导加载程序，负责加载 Windows 内核。

  1. 加载 Boot Manager：BIOS/UEFI 从硬盘的 MBR 或 EFI 分区中加载 Windows Boot Manager。
  2. 加载 Windows 内核：Boot Manager 加载 Windows 内核（如 ntoskrnl.exe）和硬件抽象层（HAL）。
  3. 传递控制权：Boot Manager 将控制权传递给 Windows 内核。

5. 操作系统内核初始化​

操作系统内核加载后，会执行一系列初始化操作，最终启动用户空间程序。

Linux 内核初始化​

  1. 内核解压缩：Linux 内核通常以压缩格式存储，加载后会解压缩。
  2. 硬件初始化：内核初始化硬件设备，如 CPU、内存、硬盘等。
  3. 挂载根文件系统：内核挂载根文件系统（如 ext4），以便访问系统文件和程序。
  4. 启动 init 进程：内核启动第一个用户空间进程 init（或 systemd），该进程负责启动其他系统服务和用户程序。

Windows 内核初始化​

  1. 内核加载：Windows 内核加载后，初始化硬件设备。
  2. 启动会话管理器：内核启动会话管理器（smss.exe），该进程负责创建用户会话。
  3. 启动 Windows 子系统：会话管理器启动 Windows 子系统（如 csrss.exe）和登录管理器（winlogon.exe）。
  4. 用户登录：登录管理器显示登录界面，用户登录后启动桌面环境。

6. 实际案例​

Linux 启动过程示例​

以下是一个典型的 Linux 启动过程：

  1. BIOS/UEFI 启动：计算机通电后，BIOS/UEFI 执行硬件检测并加载 GRUB。
  2. GRUB 引导：GRUB 显示引导菜单，用户选择 Linux 内核。
  3. 内核加载：GRUB 加载 Linux 内核和 initrd，并将控制权传递给内核。
  4. 内核初始化：内核初始化硬件并挂载根文件系统。
  5. 启动 systemd：内核启动 systemd，systemd 启动其他系统服务和用户程序。

Windows 启动过程示例​

以下是一个典型的 Windows 启动过程：

  1. BIOS/UEFI 启动：计算机通电后，BIOS/UEFI 执行硬件检测并加载 Windows Boot Manager。
  2. Boot Manager 引导：Boot Manager 加载 Windows 内核和 HAL。
  3. 内核初始化：内核初始化硬件并启动会话管理器。
  4. 启动 Windows 子系统：会话管理器启动 Windows 子系统和登录管理器。
  5. 用户登录：用户登录后，启动桌面环境。

7. 总结​

操作系统的启动过程是一个复杂但有序的过程，涉及硬件初始化、引导加载程序执行以及操作系统内核的加载和初始化。理解这一过程有助于你更好地掌握计算机的工作原理，并为深入学习操作系统打下坚实的基础。

8. 附加资源与练习​

附加资源​

练习​

  1. 实验：观察 Linux 启动过程
    在一台 Linux 计算机上，观察启动过程中的日志信息（如 dmesg 输出），并尝试理解每个步骤的作用。

  2. 实验：修改 GRUB 配置
    尝试修改 GRUB 配置文件（如 /etc/default/grub），并观察启动菜单的变化。

  3. 实验：分析 Windows 启动日志
    在 Windows 计算机上，使用事件查看器分析启动日志，了解 Windows 启动过程中的关键事件。

通过以上练习，你将更深入地理解操作系统的启动过程，并掌握相关的调试和分析技能。