主板引导

主板引导

BIOS阶段

（一）基本输入输出系统介绍

BIOS（Basic Input/Output System）是计算机开机后首先运行的程序，它被固化在主板上的ROM芯片中，其主要功能是在操作系统启动前，对计算机的硬件进行初始化和检测,为后续操作系统的运行提供基础环境。

（二）BIOS的工作流程

1. 加电自检（POST）
   • 当计算机接通电源后，BIOS开始执行POST程序，它会对CPU、内存、显卡、硬盘等主要硬件设备进行检查，包括检查硬件是否存在、能否正常工作等，检查内存时，会通过向内存写入和读取特定数据来验证其可用性；检查显卡时,会查看显卡是否能正常显示信息。
   • 如果POST过程中发现严重硬件错误，如内存故障或CPU无法正常工作，BIOS会通过发出一系列蜂鸣声（对于有蜂鸣器的机器）或者在屏幕上显示错误代码来提示用户,不同BIOS厂商的错误提示方式可能有所不同。
2. 硬件初始化

   在完成POST后，BIOS会对硬件进行初始化设置，这包括设置CPU的工作频率、内存的时钟频率和工作模式、显卡的显示模式等，这些设置通常基于BIOS中的默认配置，但用户也可以在BIOS设置界面中手动调整部分参数,以优化系统性能或适应特殊需求。

3. 搜索启动设备
   • BIOS按照预设的顺序（可以在BIOS设置中更改）搜索可用于启动操作系统的设备，常见的启动设备顺序是：首先是硬盘（通常是安装操作系统的主硬盘），然后是光驱（如果连接了光驱且其中有可启动光盘），接着是USB设备（如U盘启动盘）、网络启动（如果网络启动功能已启用）等。
   • 当BIOS找到第一个符合条件的启动设备后，会将该设备的引导扇区加载到内存中，并跳转到引导扇区的入口点,开始执行引导程序。

引导扇区阶段

（一）主引导记录（MBR）

1. 位置与作用

   MBR位于硬盘的第一个扇区（512字节），它是硬盘上最早被访问的区域之一，MBR的主要作用是识别分区类型并加载相应的分区引导记录,它包含了一段小程序和一个分区表。

2. 分区表

   分区表记录了硬盘上各个分区的信息，如分区的大小、起始位置、分区类型（主分区、扩展分区等），对于MBR分区方案，最多可以创建4个主分区，或者3个主分区加一个扩展分区（扩展分区可以包含多个逻辑分区）。

3. 引导程序

   MBR中的引导程序会根据分区表的信息，确定活动分区（即用于启动操作系统的分区），如果设置了活动分区，引导程序会将活动分区的第一个扇区（即分区引导记录）加载到内存中,并将控制权交给该引导记录。

（二）分区引导记录

1. 不同操作系统的分区引导记录
   • Windows系统：对于Windows系统，分区引导记录包含了Windows的启动管理器（如Bootmgr），Bootmgr负责进一步加载Windows内核和相关文件，启动Windows操作系统，它会查找系统根目录下的BOOT文件夹中的BCD（Boot Configuration Data）文件,根据BCD文件中的配置信息来确定启动选项和启动顺序。
   • Linux系统：Linux系统的分区引导记录通常包含GRUB（Grand Unified Bootloader）或LILO（LInux LOader）等引导程序，这些引导程序会扫描系统中的Linux内核和初始化文件系统，并根据配置文件（如GRUB的配置文件）来启动Linux系统，它们可以支持多种Linux内核版本和不同的启动选项，如进入单用户模式、恢复模式等。
2. 加载操作系统内核

   无论是Windows还是Linux，分区引导记录在加载操作系统内核时，会将内核文件从硬盘读取到内存中，并解压（如果需要）内核文件，它会将控制权交给内核，内核开始初始化操作系统的各种组件，如驱动程序、文件系统、网络服务等。

   

操作系统加载阶段

（一）Windows操作系统加载过程

1. 内核初始化

   Windows内核（如NTKRP.exe）在获得控制权后，首先进行自身的初始化，它会设置内核的数据结构、初始化内存管理、创建系统进程和线程等基本操作，它会创建一个名为“System”的空闲进程,作为系统中其他进程的父进程。

2. 硬件驱动加载

   内核初始化完成后，开始加载硬件驱动程序，这些驱动程序包括主板芯片组驱动、显卡驱动、声卡驱动、网卡驱动等，驱动程序的加载顺序通常按照设备的重要性和依赖关系进行，首先加载主板芯片组驱动，因为其他硬件设备可能依赖于主板芯片组的功能才能正常工作，驱动程序会向内核注册自己,以便内核能够调用它们来管理硬件设备。

3. 服务和用户界面启动

   在硬件驱动加载完毕后，Windows会启动各种系统服务，如磁盘服务、网络服务、打印服务等，这些服务是操作系统提供给用户和应用程序的功能接口，Windows会启动用户登录界面，等待用户输入用户名和密码进行登录，登录成功后，用户就可以正常使用计算机,启动各种应用程序了。

（二）Linux操作系统加载过程

1. 内核初始化与模块加载

   Linux内核在启动时，会首先进行自身的初始化，包括内存管理、进程管理等基本功能的设置，它会根据配置文件（如/etc/fstab）来挂载文件系统，在挂载文件系统后，Linux会加载必要的内核模块，这些模块可以是编译进内核的，也可以是作为可加载模块存在的，如果系统中有SCSI硬盘,就需要加载SCSI相关的内核模块来支持硬盘的操作。

2. 初始化脚本执行

   Linux系统会执行一系列初始化脚本，这些脚本位于/etc/rc.d目录或类似的位置，初始化脚本会启动各种系统服务，如SSH服务、Web服务器服务等，还会设置网络接口、加载用户自定义的配置文件等，不同的Linux发行版可能有不同的初始化脚本和服务管理方式,但基本原理都是通过脚本来自动化系统启动过程。

3. 登录与运行级别设置

   Linux系统在完成初始化后，会进入登录提示界面，等待用户输入用户名和密码，Linux系统有不同的运行级别，通过运行级别可以控制系统的服务和功能，运行级别3通常是文本模式登录，而运行级别5是图形界面登录，管理员可以通过命令或工具来切换运行级别,以满足不同的使用需求。

   

相关问题与解答

（一）问题1：如果BIOS中设置的启动顺序不正确，导致无法从硬盘启动操作系统，该如何解决？

解答：如果BIOS中设置的启动顺序不正确，导致无法从硬盘启动操作系统,可以尝试以下方法：

1. 进入BIOS设置界面：通常在计算机开机时，按下特定的按键（如Del键、F2键等，具体按键取决于主板型号）可以进入BIOS设置界面。
2. 调整启动顺序：在BIOS设置界面中，找到“Boot”或“Startup”相关的选项，这里会显示当前的启动设备顺序，将硬盘设置为第一启动设备，可以通过上下移动启动设备的顺序或者使用特定的快捷键（如F5、F6键用于调整顺序）来实现。
3. 保存并退出：调整好启动顺序后，按下指定的按键（通常是F10键）保存设置并退出BIOS，计算机会重新启动,并按照新的启动顺序尝试从硬盘启动操作系统。

（二）问题2：在Linux系统中，如何查看当前正在使用的内核版本和已加载的模块？

解答：

1. 查看内核版本：

   在终端中输入命令“uname -r”，系统会显示当前正在使用的内核版本号，输出“5.15.0 7generic”表示当前内核版本是5.15.0 7generic。

2. 查看已加载的模块：

   可以使用命令“lsmod”来查看当前已加载的内核模块，该命令会列出所有已加载模块的名称、大小、使用情况等信息。