Boot Sequence

POST

当计算机被打开或重置时，它会运行一系列被称为POST-“P”ower-“O”n-“elf-“T”est的诊断。 这一顺序的最终结果是按照固件配置的顺序定位可引导设备，如软盘、CD-ROM或硬盘。

主引导记录

（传统）BIOS检查可引导设备的引导签名，即所谓的幻数。 引导签名位于引导扇区（扇区号0）中，它分别在字节偏移量510和511处包含字节序列0x55、0xAA。 当BIOS找到这样一个引导扇区时，它被加载到内存中的0x0000:0x7c00（段0，地址0x7c00）。（但是，某些BIOS加载到0x7c0:0x0000（段0x07c0，偏移量0），这解析为相同的物理地址，但可能会令人惊讶。 一个好的实践是在启动扇区的一开始就强制执行CS:IP。)

然后将执行转移到新加载的引导记录。 在软盘上，引导记录的所有512字节（保存最后两个签名字节）可能包含可执行代码。 在硬盘驱动器上，主引导记录（MBR）在偏移量0x0000-0x01bd处保存可执行代码，然后是四个 primary partitions的表项，每个项使用十六个字节（0x01be-0x01fd）和两个字节的签名（0x01fe-0x01ff）。

早期环境

这种早期执行环境是高度实现定义的，这意味着特定BIOS的实现。 “从不”对寄存器的内容做任何假设：它们可能被初始化为0，但也可能包含虚假值。 这包括标志寄存器和SP寄存器，您可能也没有有效的堆栈！唯一可以确定的是，DL寄存器保存了加载引导代码的驱动器代码。

CPU当前处于实模式。 （除非你运行的是一种罕见的BIOS，它认为为你激活保护模式是在帮你的忙。 这意味着您不仅必须编写代码来激活任何“其他”硬件上的保护模式，而且还应添加测试条件（如果已激活）。)

内核

最后，引导加载程序将内核加载到内存中，并将控制权传递给它。

加载

现在我们知道要加载什么了，让我们看看如何加载。

如果从硬盘引导，则只有446字节可用于引导记录。 查看内核映像运行之前要做的事情列表，您会同意这并不多：

• 确定要从哪个分区启动（通过查找活动分区，或向用户提供要从中选择的已安装操作系统）；
• 确定内核映像在引导分区上的位置（通过解释文件系统或从固定位置加载映像）；
• 将内核映像加载到内存中（需要基本磁盘I/O）；
• 启用保护模式；
• 为内核准备运行时环境（例如设置堆栈空间）；

您不必按此顺序执行操作，但在调用kmain（）之前，必须完成所有这些操作。

更糟糕的是，GCC只生成受保护模式的可执行文件，因此这个早期环境的代码是 C做不到的事情之一。

有几种方法可以解决此问题：

• “极客加载”：将上面列表中的所有内容压缩到启动记录中。这几乎是不可能的，并且不会为任何特殊情况处理或有用的错误消息留下空间。
• “一阶段加载”：编写一个用于切换的存根程序，并将其链接到内核映像前面。引导记录加载内核映像（低于1mb内存标记，因为在实模式下，这是内存上限！），跳入存根，存根切换到保护模式和运行时准备，跳入内核。
• “两阶段加载”：编写一个“单独的”存根程序，该程序加载到1mb内存标记以下，并执行上述列表中的所有操作。

传统方式

传统上，MBR将自己重新定位到0x0000:0x0600，从分区表确定活动分区，将该分区的第一个扇区（“分区启动记录”）加载到0x0000:0x7c00（因此前一次重新定位），并跳到该地址。 这被称为“链式装载”。如果您希望自己编写的引导记录能够进行双重引导（例如Windows），则它应该模拟这种行为。

捷径

除非您真的想滚动您自己的引导加载程序（记录/存根）以获得教育价值，否则我们建议使用现成的引导加载程序。

最突出的是GRUB，这是一种两级引导加载程序，它不仅提供具有链加载功能的引导菜单，而且将早期环境初始化为定义良好的状态（包括Protected Mode，并从BIOS读取各种感兴趣的信息），可以将通用可执行文件作为内核映像加载（而不像大多数其他引导加载程序那样需要平面二进制文件），支持可选的内核模块、各种文件系统以及if/正确配置，Diskless Booting。

一些方法

有许多可能的变体可以引导。以下是方法列表，但可能还有更多方法：

• 您可以使用一个未使用的分区并加载阶段2“raw”
• 您可以将阶段2放在MBR和第一个分区的开始之间
• 您可以（像Lilo那样）编写一个内核文件，然后使用工具检测扇区（或集群）。然后让阶段1从列表中加载扇区。
• DOS和Windows是这样做的：创建一个空文件系统（格式化），然后将内核放在第一个文件中，将shell放在第二个文件中的空rootdir中。因此，加载程序只需加载rootdir中的第一个条目，然后加载第二个条目。
• 旧Linux是从软盘引导的。第一个扇区（“boot”）以“raw”模式加载第二个阶段=不带文件系统（scond阶段是“setup”，在“boot”后面的扇区中）。第二个阶段设置了系统（视频模式、内存映射等），然后加载了真正的内核映像（打包在tgz/bz中）。
• 几年前，这里有一个引导加载程序（称为“nuni”），它切换到pmode并加载一个文件，所有这些都在一个引导扇区中

See Also

外部链接

• Jun 2008: How Computers Boot Up by Gustavo Duarte.
• Jun 2008:The Kernel Boot Process by Gustavo Duarte.
• IBM developerWorks' Inside the Linux boot process a very good, illustrated overview from BIOS to userspace.

 de:Bootprozess auf x86