计算机开机BIOS初始化与MBR操作系统引导详解

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1、BIOS的工作：

我们的计算机在开机之前，它是一个纯硬件的机器，但是从按下开机按钮的那一刻起，ROM上的固化程序就开始为操作系统这个重要的软件进行初始化工作，初始化工作完成以后，将操作系统内核加载到内存中，操作系统就会帮助我们管理各种硬件资源，带给了用户良好的体验。我们普通用户通常都不关心，在电脑启动时具体都做了什么，但是作为一个IT行业的从业人员或者即将作为一名IT行业的从业人员，尤其是作为一个搞技术开发的从业人员，对于计算机是如何启动的有必要了解一二。

（1）、纯硬件检测与BIOS初始化阶段：
首先，在我们按下开机按钮的时候，供电系统向计算机主板和其他硬件设备供电。刚开机时电压不太稳定（但是会快速稳定下来），所以计算机主控芯片组会向CPU发出并保持一个RESET重置信号，让CPU自动恢复到初始状态，当主控芯片组检测到稳定供电后，便撤去RESET信号，此时程序计数器初始化置为FFFF：0H（硬件芯片初始化地址，和软件没关系），CPU开始从FFFF：0H除执行指令，这个地址只有一条指令jmp START，FFFF：0H是BIOS（Basic Input Output System） ROM的起始地址，但不是有效指令开始地址，jmp指令跳转的START是真正进行BIOS程序起始地址（如图）。

（2）、BIOS进行显卡、CPU检测并设置BIOS：
系统BIOS启动后，进行一系列硬件检测与程序初始化：先检测关键设备电路，如果设备异常则发出警报并死机。然后进行显卡检测，调用显卡BIOS的代码（C000:0H处），初始化显卡，如果显卡不正常则黑屏（不正常不能显示，所以黑屏），正常则屏幕显示显卡信息，并返回系统BIOS接着进行检测其它设备是否正常。其它设备不正常则等待处理，正常则屏幕显示系统BIOS信息。接着检测CPU，如果出错则蓝屏死机，正常则进行BIOS设置检测，如果需要设置BIOS则先进行BIOS设置，然后退出BIOS设置界面进行标准硬件设备检测，如果不需要设置BIOS则直接进行标准硬件设备检测（如图）。

（3）、其它设备检测更新与CPU控制权限转交：
在完成BIOS设置之后，需要进行两步操作，①检测是否存在即插即用设备，如果存在则为即插即用设备分配资源，不存在则直接进行系统BIOS清屏；②检测是否存在硬件设备的更新，如果存在硬件更新，存放于CMOS之中的系统硬件信息就需要进行修改，进行ESCD（Extended System Configuration Data）更新（ESCD是系统BIOS与操作系统进行硬件配置信息交换的一种手段），更新完毕先要把BIOS提供的中断例程的入口地址登记在中断向量表中，然后进入指定启动项（BIOS设置中设置的优先启动顺序：软盘、硬盘、U盘或光盘）。

假设是硬盘启动，系统BIOS读取硬盘0盘面0磁道1扇区的MBR（主引导记录）到内存中指定区域（具体是BIOS提供的int 19中断例程加载MBR到RAM的0X00007C00H开始处），设置程序计数器到指定区域（EIP=0X00007C00），然后CPU开始执行MBR的指令（即CPU使用权交由MBR来掌控）。

（4）、MBR的工作：
MBR会先检查硬盘分区表，然后根据硬盘分区表找到硬盘上的引导分区，将引导分区的首扇区（boot loader）内容调入内存，boot loader中的ntdlr（Windows引导程序）启动mini-file system divers以便能识别NEFS和FAT32的文件系统的硬盘分区。或者grub（Linux引导程序）启动vmlinuz-version和initrd-version.img（eg:Centos5.5中的/boot/vmlinuz-2.6.18-194.el5和/boot/initrd-2.6.18-194.el5.img）。便完成MBR的引导过程。

注：/boot/vmlinuz-2.6.18-194.el5 和/boot/initrd-2.6.18-194.el5.img分别是Linux内核文件与initrd文件（boot loader initialized RAM disk），具体介绍可参考：Linux2.6 内核的 Initrd 机制解析

2、MBR与boot sector的关系：

在最开始接触MBR和boot sector、boot loader、grub、ntdlr这些概念的时候，脑子是一片混乱，直到我做了一个实验（即后面要提到的的三系统引导实验）之后才彻底搞清楚：

在安装系统的一个磁盘上有多个分区，第一个分区是主分区（从1柱面开始），主分区之前有一个柱面，其第一个扇区是MBR（0面0道1扇区），之后便是各个分区，每个分区的第一个扇区都是一个boot sector（存放引导加载程序“boot loader”）。而MBR是0面0道1扇区即首个boot sector中存放的boot loader，只不过广义的MBR中不仅仅有引导记录。在安装Linux时如果需要为/boot分区分配一些空间，/boot是用来存放操作系统内核的启动文件与配置文件，而grub是Linux系统的引导程序，在/boot/grub/grub.conf中记录着grub的基本配置信息。ntldr是windows上的boot loader。

总的来说：
①广义MBR（512Byte）和boot sector都是一个扇区，boot sector是每个分区的第一个扇区，而MBR是磁盘的第一个扇区。
②boot loader和狭义MBR（446Byte）是引导加载程序，负责加载系统内核、提供引导选项或转交引导权限给其它boot loader（关于这三种功能我们稍后一一会遇到）。Linux的grub和Windows的ntldr都是boot loader的具体程序。

关系如下所示（这是先装了一个Windows7再装了一个Redhat后的MBR与boot loader情况，Linux的grub改写了原本直接引导Windwos的MBR，将Linux的grub写到了MBR里，所以MBR可以直接引导Linux，当然也有可以间接通过/dev/sda3中的grub来引导）：

上面已经提到了boot loader的三种情况：①直接引导kernel、②转交其它boot loader来引导，③提供菜单选项（选择1还是2，即选择双系统的Windows7还是Redhat）。如下图所示（暂时忽略Centos5.5）：

我们看到MBR的选择菜单标题是GNU GRUB，这证明了后安装的Linux的grub引导程序修改了MBR（修改MBR时，自己的boot sector里也生成了grub），选择第一个则按照直接引导的方式引导Linux kernel，选择第二个则将引导权交给ntldr，由ntldr来引导Windows kernel，ntldr中不存在菜单选项和转交loader权。（如果我们把grub覆盖到ntldr的boot sector，且选每次菜单出来都选择Windwos7则会存在互相转交引导权，一直不能启动系统，后面会详细说到）。

3、Win7+Redhat6.4+Centos5.5三系统引导实例：

上面所述的过程，在MBR加载的前知识点（即BIOS检查操作）对于实际应用来说，帮助不大（CPU初始化FFFF:0H和BIOS加载MBR的部分还是有用的，只是显卡、内存等检查现在来说没有太大实际应用），但是从MBR加载之后的信息，对于我们在操作系统安装，双系统安装等方面有极大的指导作用。接着我们来看看一个有趣的实验：先安装Win7再安装Redhat6.4，最后安装Centos5.5的过程中，MBR以及磁盘分区情况是如何变化的，并且实现按自己心意来随意引导的方式。

（1）、只安装Windows7：
只安装Windows7时的磁盘情况如下所示：

安装Windows7时，安装程序将ntldr写入MBR便开机时读取MBR时正确引导Windows的Kernel，在自己的boot sector中也写入了ntldr（备份）。注意：boot sector所在的分区是分出来存放系统内核程序的，C盘是另外一块分区。空闲的分区可以做D:盘、E:盘，但是我们要安装多个系统，所以就不分非系统盘了。

（2）、安装Windows7以后安装Redhat6.4：
这一操作的结果与我们在上面区分MBR和boot sector时已经分析过了（但是分区图不太一样）：原本的MBR中是Windwos的ntldr，安装Redhat时选择了用Redhat的grub覆盖Windwos在MBR上的ntldr，但是Redhat识别出了已经有一个操作系统是Windows，所以在安装grub时增加了loader的菜单选项。grub中将Redhat作为了默认引导项，不用去读自己的boot sector了。实际操作中的分区与MBR变化如下：

（3）、接着安装一个Centos5.5：
安装Centos5.5时，选择是修改MBR还是不修改，我选的是不修改，所以Centos的grub只写到了/dev/sda安装好以后，只有Redhat和Others两个选项，所以Centos无法启动。此时的文件分区情况与MBR如下（MBR没有Centos的grub信息，所以开机无法直接引导）：

用fdisk -l查看磁盘分区情况：

那么Centos的grub只写在/dev/sda7的boot sector中 ,如何启动Centos？我们可以在MBR的选项菜单中直接按’c’键，进行grub编辑：

编辑如下（编辑完一行回车即可）：

root (hd0,6)。其实就是挂载/dev/sda7到/boot，即指定/boot，/vmlinuz-version也就是/boot下的/vmlinuz-version而不是根(/)下的/vmlinuz-version。
kernel /vmlinuz-version root=LABEL=/，只要输入kernel /vmlinuz然后按Tab键就能自动补全版本号加上root=LABEL=/即可，下一行也一样按Tab即可
initrd /initrd-version.img
以上三行其实就是boot loader做的事情，如Redhat的引导过程如下图：（因为/dev/sda3的boot sector上存放的是redhat的boot loader，所以root (hd0,2)即挂载redhat的/boot）

这样做只能每次手动boot，如何才能一劳永逸呢？只要我们在redhat的/boot/grub/grub.conf配置文件中将以上三行加上去即可（相当于在菜单项中加了一项）：

加完以后，MBR引导时菜单项中就多了一项Centos5.5，选择Centos5.5时MBR将引导全交给了Centos 的/dev/sda7的boot sector来引导，因为/dev/sda7的boot sector中本来就放的是Centos的引导程序，则Centos就能正确引导。

4、随意修改boot sector的boot loader：

接着我们做以下变化：
进入Redhat6.4中，执行grub-install /dev/sda1（注意做备份，由于我是用虚拟机做的，用快照也可以，但是用备份更方便）将redhat的grub安装到Windows7的boot sector中去，每次选择菜单中的Windows7，这样就能达到引导权互相交换的效果，修改方式如下所示（由于Linux能够识别Windows7的NTFS文件系统，所以能够做这一步，如果不能识别是不存在写权限的）：

效果如下所示：

要恢复Windows7原来的引导，只需要将备份写回去即可：

类似的操作可以随意修改，只要能够识别对应文件系统，比如把centos的grub装到Windows的boot sector中，则选择Windows7是启动的是Centos的操作系统。

当然也可以在开机选择时，按‘c’进入grub编辑，如下编辑（不做演示）：

grub> rootnoverify(hd0,0)
grub> chainloader +1
grub> boot
//MBR转交boot权限的便是/dev/sda1的boot loader启动Windows7

grub> rootnoverify(hd0,2)
grub> chainloader +1
grub> boot
//MBR转交boot权限的便是/dev/sda3的boot loader启动Redhat6.4

grub> rootnoverify(hd0,6)
grub> chainloader +1
grub> boot
//MBR转交boot权限的便是/dev/sda7的boot loader启动Centos5.5

本文标签： 化与 详解 操作系统 计算机 BIOS