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-Power-On Self-Test的上电自我检测过程。 这一过程的最终结果是按照固件配置的顺序来定位可引导设备，如软盘、CD-ROM或硬盘。

主引导记录（Master Boot Record - MBR）

（传统）BIOS检查可引导设备的引导签名，找到所谓的magic number。 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）。 然而，一些BIOS加载到0x7c0:0x0000（段0x07c0，偏移量0），这解析为相同的物理地址。 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（boot record）。 在软盘上，引导记录的所有512字节（保存最后两个签名字节）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 主分区的表项，每个项使用十六个字节（0x01be-0x01fd）和两个字节的签名（0x01fe-0x01ff）。

早期运行环境

这种早期执行环境是高度由具体实现定义的，这意味着特定BIOS的实现。 永远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FLAGS寄存器和SP寄存器，你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，它认为激活保护模式是在帮你的忙。 这意味着你不仅必须编写代码来激活任何“其他”硬件上的保护模式，而且还应为激活的保护模式添加测试条件。)

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。

加载内核

现在我们知道引导记录要将内核加载起来，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。 查看以下内核映像运行之前要做的任务清单，你会发现这点空间并不多：

• 确定从哪个分区启动(通过查找活动分区，或通过向用户提供可供选择的已安装操作系统)；
• 确定你的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);

你不必按此顺序执行操作，但在调用kmain()之前（译者注：kmain指自制内核的入口函数），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，因此写代码搭建这个早期运行环境是C做不到的事情之一。

有几种方法可以解决此问题：

• Geek loading: 技巧型载入，将上述列表中的所有内容都压缩到引导记录中。 这几乎是不可能的，并且也许不能为特殊情况处理或有用的错误消息留出空间。
• One-stage loading: 单阶段载入，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，因为在实模式下，这是内存上限！），跳入存根（Stub），存根切换到保护模式和运行时准备，再跳入内核。
• Two-stage loading: 两阶段载入，编写一个 “单独” 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，并跳到该地址。 这被称为“链式装载”。如果你希望自己编写的引导记录能够进行双重引导（例如Windows），则应该模拟这种行为。

捷径

除非你真的想弄一个自制引导加载程序（包含记录record或存根stubs）以获得教学价值，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two-stage bootloader，它不仅提供具有链式加载功能的引导菜单，而且将早期运行环境初始化为定义良好的状态（包括保护模式，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简单二进制文件），支持可选的内核模块、各种文件系统，如果./configure正确配置还能支持无盘引导。

其他一些方法

有许多可能的变体可以引导系统。以下是方法列表，但可能还有更多方法：

• 你可以使用一个未使用的分区并加载阶段二的原始映像（raw）
• 你可以将阶段二放在MBR和第一个分区开头之间
• 你可以（像Lilo那样）编写一个内核文件，然后使用工具检测扇区（或簇）。然后让阶段一从列表中加载扇区。
• DOS和Windows是这样做的: 创建一个空文件系统 (对其进行格式化)，然后将内核放置在第一个文件中，将shell放置在空根目录的第二个文件中。 因此，加载程序只需在根目录中加载第一个条目，然后再加载第二个条目。
• 旧Linux是从软盘启动的。 第一个扇区（“boot”）以“原始内容”（不带文件系统）模式加载第二个阶段 (第二阶段是 “setup”，位于 “boot” 后面的扇区中) 第二阶段设置好系统(视频模式、内存映射等)，然后加载真实的内核映像(打包在tgz/bz中)。
• 几年前，有一个引导加载程序（称为“nuni”），它能切换到保护模式并加载一个文件，同时把所有这些都实现在一个引导扇区中

另见

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