前言

本文内容只集中在操作系统启动原理的讲解上，不涉及启动的技术细节，因为这些细节都可以通过网络或者相关代码了解。只有了解了启动原理，才能在分析和解决有关启动的问题时具有针对性，不会有无从下手的感觉。限于作者经验的原因，本文内容只涉及关于Windows和Linux系统的启动过程。

启动过程简介

操作系统的启动简单来说，就是将操作系统的内核从外存储加载到内存中，并使其运行的完整过程。可是现在的操作系统实在太复杂了，要将这么复杂的系统启动起来，也不是一件简单的事情。大家都知道软件的大小是随着功能多少而变化的；同理，随着操作系统越来越复杂，启动过程也变得更加复杂，但MBR(硬盘第一个扇区)的空间有限(512Bytes)，不可能将所有的启动代码全部塞到里面，但MBR又是操作系统启动的第一个环节，BIOS从硬盘启动时只加载MBR一个扇区。MBR有两个非常重要的作用：存放第一阶段的启动代码和保存分区记录。

那怎么办呢？聪明的程序员想出了一个办法：链式启动，一环扣着一环，先用小程序(功能极其简单，主要功能就是加载其他程序)加载一个较大的程序(功能稍微复杂些，比如可以搜索文件系统等等)，然后这个较大的程序再加载更大的程序(功能全面，负责加载系统内核等)，不断重复这个过程，直到把完整的bootloader(启动加载器)都加载到内存中。当bootloader完全加载到内存后，它才开始执行操作系统内核加载启动等工作。在x86平台上，Windows和Linux操作系统的启动程序一般是由三个部分组成的，每一部分都完成链式启动过程中一个阶段的启动任务。

Windows系统启动过程

在一个只装有Windows系统的硬盘中，MBR中存放着微软提供的第一部分的启动代码，虽然随着Windows版本的不同，这段代码也略有变化，但是其主要功能并没有改变。在存放这段代码的MBR扇区被加载到内存后，它首先查找保存在这个扇区(MBR整个扇区已被加载到内存中，实际是在内存固定位置处查找)中的分区记录，在其中找到活动标志值为0x80(表示该分区是活动的)的那条分区记录，依照记录中的分区开始位置，将这个分区的第一个扇区加载到内存中并执行。如果在这个过程中出现错误，比如报告“没有活动分区”之类的，都是由这部分代码产生的。

由Windows操作系统格式化的分区，不管文件系统类型是FAT16/32还是NTFS，在分区开始的若干个扇区内，都存放着Windows系统启动的第二部分代码。这部分代码分为两小段：第一段是第一个扇区的自加载部分，第二段是后面扇区的启动功能部分。第一段的这个扇区由MBR的启动代码加载到内存并执行，这个扇区的主要功能是将第二段代码全部加载到内存中；而第二段代码的主要功能是解析文件系统，将保存在文件系统中的最后一个阶段的启动代码文件(ntldr)加载到内存中，由于有文件系统的解析功能，因此第二部分的启动代码随文件系统类型而有所不同。像“ntldr is missing”这样的错误信息都是由这部分代码报告的。

Windows启动过程中第三部分的代码存在于系统分区的文件系统中，文件名通常是ntldr(win2k及其后的Windows系统)，这段代码并没有覆盖第二部分的代码，因为还要用到它的文件系统解析功能。这部分代码分析boot.ini文件，提供给用户启动选项等功能，在用户作出选择后，加载操作系统内核文件，并将控制权交给系统内核，至此，bootloader的使命就完成了，接下来的系统初始化等功能都是由Windows操作系统内核来完成的。

Linux系统启动过程

Linux系统是开源操作系统，针对同一个功能开源社区里总是存在着多种选择，就连bootloader也不例外，早期的Linux一般使用Lilo，现在的Linux系统一般使用GRUB作为bootloader。两者的功能是相同的，只不过GRUB提供的功能更加丰富。GRUB和Windows系统的启动程序在功能划分上基本一致，都分为三个部分，分别是stage1, stage1.5和stage2。

stage1是GRUB第一部分的启动代码，和Windows系统第一部分的启动代码的功能相似，但也有很大的不同：

驻留位置，stage1可以驻留到MBR或者分区的第一个扇区中；

加载方式，stage1在MBR中时，并不通过查看分区表来获得下一阶段的启动代码的位置，而是在Linux安装好后，由Linux安装程序在stage1内部的特定位置上写好了下一阶段启动代码的开始位置(硬盘扇区的绝对偏移)；

由于第二点的不同，因此它既可以加载stage1.5也可以直接加载stage2；

stage1.5和Windows系统第二部分启动代码的功能相同，它通过解析启动分区的文件系统，将stage2加载到内存中。stage1.5一般驻留在启动分区的开始部分。其加载方式也和Windows系统一样，由stage1先将stage1.5的第一个扇区加载到内存中，然后由此扇区中的代码将其余部分也加载到内存中。stage1.5代码因为与解析文件系统有关，本身又不能太大，因此和Windows系统一样，针对每个Linux文件系统都有对应的stage1.5的代码，一些Linux安装可以让用户选择启动分区的文件系统类型，所以相应的stage1.5会被使用。

stage2功能和Windows系统第三部分启动代码的功能相同，它可以显示一个启动列表，让用户选择启动，然后加载相应的Linux内核文件和ramdisk文件到内存并解压，最后将控制权交给Linux内核。至此，GRUB的使命就完成了，接下来的系统初始化等功能都是由Linux内核来完成的。

GRUB不同于Windows启动程序的地方是：虽然GRUB提供了stage1.5用于解析文件系统和加载stage2，但是在流行的Linux发行版中，安装程序并不使用stage1.5，而是跳过stage1.5，直接由stage1加载stage2，具体原因有以下几点：

某些Linux文件系统在设计时，分区开始出并没有留出足够的空间存放stage1.5；

某些Linux文件系统出现时间较晚，没有对应的stage1.5；

虽然stage1.5具有启动时的灵活性，但是也付出了增加复杂度的代价；

基于以上几个原因，例如Redhat，Suse等Linux发行版在安装时并没有使用stage1.5，而是简单地让stage1直接加载stage2。因此，stage2在设计上也和stage1.5相似，分为两段，第一段代码是stage2的第一个扇区，用于加载第二段代码，而第二段代码完成stage2的主要功能。因此，stage2的加载方式有两种：一是由stage1.5通过解析文件系统加载同内存中；二是由stage1只加载stage2的第一个扇区，由此扇区将stage2其余部分加载到内存中。

多系统安装实战

想必在一块硬盘上安装过Windows和Linux双系统的网友都有个这种经历：一旦Linux出了问题，不能进入GRUB的启动界面的话，那么连Windows也启动不了了，不得已，只能完全重装所有的系统。其实这都是Linux发行版中GRUB安装方式惹的祸。为什么这么说呢？还要从GRUB的安装方式讲起。

上面已经谈到，流行的Linux发行版在安装过程中对GRUB安装的默认方式方式是将stage1安装在MBR中，然后让stage1直接加载Linux分区中的stage2，如果在Linux安装之前存在有Windows系统，那么GRUB会在启动配置中添加一个启动项，使用户可以启动Windows系统。

这个启动项背后的故事是：如果用户选择了这个启动项，stage2依照这个启动项提供的分区位置，加载该分区的第一个扇区，然后将控制权转给该扇区。也就是说这个启动Windows的过程相当于从Linux启动第三个阶段跳转到Windows启动的第二个阶段。如果在这个启动过程中Linux系统出了问题导致GRUB工作不正常的话，自然连带的Windows也无法启动了。

所以，相比较来说，Windows的启动程序加载的方式是比较灵活的，不像Linux，将其他系统的启动也纳入到自己的管理之中，一旦Linux系统的启动出了问题，也会危及到其他系统的启动。

一个比较好的多系统安装方法如下：

首先安装一个Windows系统，其目的就是要将Windows启动的第一部分代码写入到MBR中。随后的步骤和你想要安装的操作系统有关，可以分为三个类型，多Windows系统，多Linux系统，混合性系统，下面分别讨论：

多Windows系统：

在安装新的Windows系统前，通过控制面板->计算机管理->磁盘管理，将你想安装新的Windows系统的分区设为活动的，这是会出现警告信息，点击确认通过。然后重启系统，插入安装光盘，设定光盘启动，就会从光盘启动安装程序，安装程序默认会将系统安装在活动分区上。按照这种方式，在主分区上最多可以安装4个WindowsXP系统，2个Windows Vista/7系统(因为占用2个分区)

平常使用时，如果想切换到另一个系统，使用控制面板->计算机管理->磁盘管理将你想切换到的系统设为活动即可，重启后，即可进入新的系统，返回同理。

多Linux系统：

如果硬盘分区打算全部安装Linux系统，第一个Linux系统必须装在Windows系统所在的分区上，而且最多安装2个Linux系统(每个Linux分区占用2个分区)。在Linux系统安装的过程中，有一步是指定grub的安装位置，默认是MBR，改为分区(因为Linux发行版的不同，指定方式也有所不同)，其他默认。后续Linux的安装遵循多Windows系统安装的方式，首先改变活动分区(Linux中使用fdisk工具)，在重启系统安装新的Linux。

平常使用时，使用fdisk改变活动分区，即可切换到不同的Linux系统。

混合性系统，当你充分理解了上面两个例子的安装原理后，我相信混合系统对你来说，应该是非常容易的意见事情了。

题外话：

1早期的启动代码，不管Windows还是Linux，都存在对硬盘前7.8G空间的寻址限制，这是因为硬盘的CHS寻址机制造成的，随着LBA寻址方式的出现，现在的启动代码不再有这个限制了，意味着你可以将系统分区安排在硬盘空间7.8G之后的位置了，不过如果硬盘上还有dos系统，就应该注意了。