操作系统启动过程简单分为四部分，从BIOS自检、系统引导、启动内核、初始化系统。其中每个部分又分为多个子部分，操作系统的建立是一个相对比较复杂的事情。以下以Linux2.6.32版本为基础，介绍操作系统启动过程。

中文名

操作系统启动过程

分    为程    序

boot strapping,和BIOS

操    作

开机执行BIOS

操作系统启动过程简介

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Linux内核是从入口点开始执行的，入口点程序又称为初始化程序，其任务是为Linux操作系统的运行做好必要的准备，如将内核镜像(bzimage)在物理地址展开、获取计算机组成部分的配置参数、建立各种管理用的数据结构、启动各类守护进程、建立人机交互环境等。

Linux内核是一个驻留在外存中的程序，在运行前必须先将其读入物理内存。将Linux内核读入内存的工作成为引导，完成引导的程序被称为引导程序。引导也是在外存中的程序，所以在运行之前需要将其读入内存。将引导读入内存的工作由BIOS(basic input output system)完成。BIOS驻留在非易失存储器中，不需要引导。

引导程序在linux内核读入后，将控制权交给内核头部的实模式初始化程序(main.c)，在实模式下完成初始化工作，再将处理器切换到保护模式，而后转入解压程序。解压程序将内核镜像解压到物理地址中，然后把处理器的控制权交给内核首部程序。内核首部程序正式完成内核初始化。

每个过程都执行了自己该做的初始化部分的事情，有些过程又可分为好几个子过程。接下来，我们就对每个阶段做一个详细分析和讲解。

操作系统启动过程BIOS自检

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在计算机开机时，boot被自动执行，指引CPU把操作系统从大容量存储器中传送到主存储器的易失区[1]

。BIOS的功能由两部分组成，分别是POST码和Runtime服务。POST阶段完成后它将从存储器中被清除，而Runtime服务会被一直保留，用于目标操作系统的启动。BIOS两个阶段所做的详细工作如下：

步骤1：上电自检POST(Power-on self test)，主要负责检测系统外围关键设备(如：CPU、内存、显卡、I/O、键盘鼠标等)是否正常。例如，最常见的是内存松动的情况，BIOS自检阶段会报错，系统就无法启动起来；

步骤2：步骤1成功后，便会执行一段小程序用来枚举本地设备并对其初始化。这一步主要是根据我们在BIOS中设置的系统启动顺序来搜索用于启动系统的驱动器，如硬盘、光盘、U盘、软盘和网络等。我们以硬盘启动为例，BIOS此时去读取硬盘驱动器的第一个扇区(MBR，512字节)，然后执行里面的代码。实际上这里BIOS并不关心启动设备第一个扇区中是什么内容，它只是负责读取该扇区内容、并执行。

至此，BIOS的任务就完成了，此后将系统启动的控制权移交到MBR部分的代码。

Linux的启动是从0xFFFF0地址开始的，该地址位于FLASH memory中，是BIOS的入口。然后会选择引导设将其第一个扇面(可能是MBR或GRUB)的内容读到0x7C00处，并跳转到该位置。

操作系统启动过程系统引导

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我们首先来了解一下MBR，它是Master Boot Record的缩写。硬盘的0柱面、0磁头、1扇区称为主引导扇区。它由三个部分组成，主引导程序(Bootloader)、 硬盘分区表DPT(Disk Partition table)和硬盘有效标志(55AA)，其结构图如图1所示[2]

：

图1

磁盘分区表包含以下三部分：

1)Partition ID

2)Partition起始磁柱

3)Partition的磁柱数量

引导程序的核心工作是将linux内核从外存读入内存，并将其放在合适的位置中。Linux的内核被分为三部分；

1)主体部分是在保护模式或64位中运行的内核镜像(bzimage)，已被压缩

2)在内核镜像之前有一段解压缩程序，用于解压缩内核

3)文件头部是一段实模式的初始化程序，用于在实模式运行

由于处理器最开始运行在实模式下，内存空间只有1MB(20位地址总线8086体系)，内存分布如图2所示：

实模式下内存分布

图2

引导程序必须将内核的实模式下的初始化程序放在基本内存中，应将内核镜像放在1MB以上的位置。

同时为了缩减内核规模，实现内核的灵活性和适应性，内核被分为两部分：基础部分(bzImage)和扩展部分(busybox等)。基本内核实现内核最基本的管理功能，不随计算机的变化而变化；扩展功能实现内核一些独立的模块(如驱动和文件系统)，会发生变化，被放在initrd中，需要引导程序一并读入。在qemu中使用 qemu-systems-i386 -kernel bzImage -initrd busybox命令载入基本内核和扩展内核。

这里有必要给大家再多介绍一下initrd：

initrd 的英文含义是 bootloader initialized RAM disk，就是由 boot loader 初始化的内存盘。在 linu2.6内核启动前，boot loader 会将存储介质中的 initrd 文件加载到内存，内核启动时会在访问真正的根文件系统前先访问该内存中的 initrd 文件系统。在 boot loader 配置了 initrd 的情况下，内核启动被分成了两个阶段，第一阶段先执行 initrd 文件系统中的init，完成加载驱动模块等任务，第二阶段才会执行真正的根文件系统中的 /sbin/init 进程。

操作系统启动过程启动内核

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当处理器离开引导程序的时候，它处于实模式下面，需要执行实模式下面的引导程序后，跳转到保护模式解压内核镜像。

在实模式中，引导程序进行三项工作：

1)收集系统参数

2)设置基本环境

3)切换处理器操作模式

操作系统启动过程解压内核

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如前面讲到的，linux在内存中的为内存镜像，需要进行解压，解压后需要把内核放在适当的位置。这个位置在老的版本为0x100000(1MB)处，新版本要求在物理内存的0x1000000(16MB)处，这样可以节省16MB以下的内存空间给DMA使用。借此就进入了保护模式的内核初始化下了。

词条图册

更多图册

参考资料

1.

计算机科学概论(Brookshear)

2.

Linux系统启动过程分析

．www.cnblogs.com．2016-10-20[引用日期2019-07-06]