计算机开机启动流程详解

Posted 2022-04-21 shao-ye

一、Bios

1、BIOS是什么

BIOS：基本输入输出系统（Basic Input Output System），它是一组固化到计算机内主板上一个ROM（Read-Only Memory）只读存储器，不需要供电就可保持数据不丢失芯片上的程序，BIOS保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机上电自检程序和系统启动自检程序。

 

2、BIOS的功能及作用

a、POST上电自检及初始化：执行不同初始化和计算机硬件检测的函数或例程，开机后BIOS最先被启动，然后它会对电脑的硬件设备（CPU、640K基本内存（640K BASE MEMORY）、1MB以上扩展内存（EXTEND MEMORY）、ROM（READ-ONLY MEMORY，只读存储器）、主板、CMOS存储器、串口、并口、显卡、软盘子系统、硬盘子系统、键盘）进行完全彻底的检验和测试

b、BIOS 系统操作系统启动程序：完成 POST 自检后， ROM BIOS 将按照系统 CMOS 设置中的启动顺序搜寻软硬盘驱动器及 CDROM 、网络服务器等有效的启动驱动器 ，读入操作系统引导记录，然后将系统控制权交给引导记录，由引导记录完成系统的启动。 

c、BIOS 中断服务程序：开机时，BIOS会告诉CPU各硬件设备的中断号，当用户发出使用某个设备的指令后，CPU就根据中断号使用相应的硬件完成工作，再根据中断号跳回原来的工作。

d、程序服务：BIOS直接与计算机的I/O(Input/Output，即输入/输出)设备打交道，通过特定的数据端口发出命令，传送或接收各种外部设备的数据，实现软件程序对硬件的直接操作

BIOS 系统设置程序： 机器部件的配置情况是存放在一块可读写的 CMOS RAM 芯片中的，它保存着系统 CPU 、软硬盘驱动器、显示器、键盘等部件的信息。 关机后，系统通过一块后备电池向 CMOS 供电以保持其中的信息。如果 CMOS 中关于微机的配置信息不正确，会导致系统性能降低、零部件不能识别，并由此引发一系统的软硬件故障

二、CMOS

1、CMOS是什么

CMOS：（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）主板上的一块可读写的 RAM 芯片， CMOS用来保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）和当前系统的硬件配置和用户某些参数的设定的芯片，CMOS的特性是可读写的，因此在电脑的主板上是用来保存BIOS的设置电脑硬件参数的数据，这个芯片仅仅用来存储数据，CMOS是靠主板上的纽扣电池供电的，就算主机断电也能保存数据。CMOS芯片一般被集成在南北桥芯片组里面。

 

2、CMOS芯片中存储了哪些数据

CPU的类型、内存的容量与类型、硬盘的类型和基本的参数

 

3、BIOS和CMOS的区别、联系

联系：BIOS中的系统设置程序是完成CMOS参数设置的手段，即通过BIOS设置程序对CMOS参数进行设置。CMOS既是BIOS设置系统参数的存放场所，又是BIOS设置系统参数的结果。

区别： bios保存系统的重要信息和设置系统参数的设置程序（BIOSSetup程序)，而cmos是主板上的一块可读写的RAM芯片，里面装的是关于系统配置的具体参数，其内容可通过设置程序进行读写。

 

三、EC

EC（Embed Controller，嵌入式控制权）又称开机控制芯片

1、EC是什么？

EC是一个16位单片机，它内部本身也有一定容量的Flash来存储EC的代码。由于早期的EC主要管控键盘，所以也称KBC（KeyBoard Controller，键盘控制器）。EC在系统中的地位绝不次于南北桥，在系统开启的过程中，EC控制着绝大多数重要信号的时序。

在笔记本中，EC是一直开着的，无论你是在开机或者是关机状态，除非你把电池和Adapter完全卸除。 在关机状态下，EC一直保持运行，并在等待用户的开机信息。而在开机后，EC更作为键盘控制器，充电指示灯以及风扇等设备的控制，它甚至控制着系统的待机、休眠等状态。

2、EC的作用

在系统关机的时候，只有RTC（实时时钟）部分和EC部分在运行。RTC部分维持着计算机的时钟和CMOS设置信息，而EC则在等待用户按开机键。在检测到用户按开机键后，EC会通知整个系统把电源打开，CPU被RESET后，会去读BIOS内一个特定地址内的指令（其实是一个跳转指令，这个地址是由CPU硬件设定的）。在CPU读到所发出的地址内的指令后，执行它被RESET后的第一个指令。在这个系统中，EC起到了桥接BIOS和南桥（或者说整个系统）的作用。 EC是一个单独的处理器，在开机前和开机过程中对整个系统起着全局的管理。而BIOS是在等EC把内部的物理环境初始化后才开始运行的。如果说BIOS 是底层系统的话，那EC 似乎更加底层。 在南桥上还有一个功能块就是电源管理单元（PM，Power Management）。 一般来说，他和EC来共同配合完成。这里包括从开机（power button）键按下后，启动，待机，休眠，关机的全部功能。还包括对背光亮度，声音等的控制等等。 至于现在Intel的Speed Step技术，也有部分功能是透过南桥来实现的（南桥发送SLP、STPCLK（sleep，Stop Clock）来实现睡眠、深睡眠等）。 (Embedded Controller，嵌入式控制器)在一组特定系统中，新增到固定位置，完成一定任务的控制装置就称为嵌入式控制器。

参考网址：https://blog.csdn.net/maomaovv/article/details/1549819

 

四、计算机开机启动流程

Stage1：加电开机

按下电源的开关，电源马上开始向主板和其它的设别开始供电，但此时的电压还不是很稳定，主板上的控制芯片组会向CPU发出并保持一个reset（重置）信号，让CPU内部自动恢复到初始状态下，当芯片组检测到电源已经开始稳定的供电了（从不稳定到稳定的过程中只需要一瞬间即可），芯片组则开始撤去reset信号，CPU马上开始从FFFF0H出执行指令，这个地址是在系统的BIOS的地址范围内，其实放在这里的只是一条跳转指令，指向BIOS中真正的启动代码地方。

 

Stage2：BIOS启动，POST自检（Power-On-self-test）

BIOS启动后，第一件事情就是执行POST自检阶段，主要针对系统的一些关键设备是否存在或者是功能是否正常，如：内存、显卡等，如果在POST过程中系统设备存在致命的问题，BIOS将会发出声音来报告检测过程中出现的错误，声音的长短及次数对应着系统的错误类型。POST过程会非常快速，对用户几乎感觉不出来。

显卡初始化：在POST过程中，BIOS会去查找显卡的BIOS，并且去调用显卡BIOS的代码，由显卡BIOS去初始化显卡，这个时候显示器一般会显示一些初始化的信息，同时系统BIOS也会去查找其它设备的BIOS，分别调用她们的初始化代码来初始化设备。

BIOS报错声音对应链接：https://baike.baidu.com/item/BIOS%E6%8A%A5%E8%AD%A6%E5%A3%B0/4231622?fr=aladdin

总之：如果硬件出现问题，主板会发出不同的蜂鸣，启动中止，如果没有问题，则显示器会显示相关信息。

 

Stage3：启动顺序

硬件自检结束后，BIOS这个时候将控制权交给下一阶段的启动程序，但是这个时候BIOS需要知道“下一个阶段要启动的程序具体放在了哪一个设备上”也就是我们平时说的BIOS下的启动顺序，但排在第一位的是优先转交的设备，这个叫做启动顺序。

启动顺序，我们日常工作中可以开机进入BIOS的去调节启动设备的优先级。

 

Stage4：主引导记录

BIOS按照设定好的启动顺序，将控制权交给排在第一位的存储设备，即开始从第一位设备中读取设备的MBR，并且将程序放在0x7c000的内存地址位中。

MBR：存储设备中的第一个扇区，磁盘最前面的512Byte，称为“主引导扇区”（Master boot record，缩写为MBR）

这个时候计算机会去读取该设备的第一个扇区，也就是读取最前面的512个字节。如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动，BIOS会继续去找下一个设备，并将控制权转交给”启动顺序”中的下一个设备。

主引导记录（MBR）的结构组成：

MBR很小，只有512字节，存放程序很小，其主要作用是：告诉计算机在哪一个位置去找操作系统。

主引导记录由三个部分组成：

1、1-446字节：调用操作系统的程序

2、447-520字节：分区表

3、511-512字节：主引导记录的签名（0x55和0xAA）

 

分区表：

硬盘分区有很多好处。考虑到每个区可以安装不同的操作系统，”主引导记录”因此必须知道将控制权转交给哪个区。

分区表的长度只有64个字节，里面又分成四项，每项16个字节。所以，一个硬盘最多只能分四个一级分区，又叫做”主分区”。

每个主分区的16个字节，由6个部分组成：

（1） 第1个字节：如果为0x80，就表示该主分区是激活分区，控制权要转交给这个分区。四个主分区里面只能有一个是激活的。

（2） 第2-4个字节：主分区第一个扇区的物理位置（柱面、磁头、扇区号等等）。

（3） 第5个字节：主分区类型。

（4） 第6-8个字节：主分区最后一个扇区的物理位置。

（5） 第9-12字节：该主分区第一个扇区的逻辑地址。

（6） 第13-16字节：主分区的扇区总数。

注：最后的四个字节（”主分区的扇区总数”），决定了这个主分区的长度。也就是说，一个主分区的扇区总数最多不超过2的32次方。

 

Stage5：硬盘启动

这时，计算机要将控制权转交给硬盘的某个分区，但是分区又会出现几种情况：

1、卷引导记录

四个分区中，只有一个是激活的，计算机开始读取激活的第一个扇区，叫“卷引导记录"（Volume boot record，缩写为VBR）

卷引导记录主要作用：告诉计算机，操作系统在这个分区，可以开始加载操作系统

 

2、扩展分区和逻辑分区

扩展分区：分区表只有四项，因此规定有且仅有一个区可以被定义成”扩展分区”（Extended partition）。可以在扩展分区中继续分区

逻辑分区：指在扩展区里面又分成多个区。这种分区里面的分区，就叫做”逻辑分区”（logical partition）

计算机先读取扩展分区的第一个扇区，叫做”扩展引导记录”（Extended boot record，缩写为EBR）。它里面也包含一张64字节的分区表，但是最多只有两项（也就是两个逻辑分区）。

计算机接着读取第二个逻辑分区的第一个扇区，再从里面的分区表中找到第三个逻辑分区的位置，以此类推，直到某个逻辑分区的分区表只包含它自身为止（即只有一个分区项）。因此，扩展分区可以包含无数个逻辑分区。

 

3、启动管理器

在这种情况下，计算机读取”主引导记录”前面446字节的机器码之后，不再把控制权转交给某一个分区，而是运行事先安装的”启动管理器”（boot loader），由用户选择启动哪一个操作系统。

Boot loader：是在操作系统内核运行之前运行。可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境

 

Stage6：操作系统启动

控制权转交给操作系统后，操作系统的内核被载入内存。

以Linux系统为例，先载入/boot目录下面的kernel。内核加载成功后，第一个运行的程序是/sbin/init。它根据配置文件（Debian系统是/etc/initab）产生init进程。这是Linux启动后的第一个进程，pid进程编号为1，其他进程都是它的后代。

然后，init线程加载系统的各个模块，比如窗口程序和网络程序，直至执行/bin/login程序，跳出登录界面，等待用户输入用户名和密码。